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U
NIVERSIDADE
F
EDERAL DE
G
OIÁS
E
SCOLA DE
E
NGENHARIA
E
LÉTRICA E DE
C
OMPUTAÇÃO
P
ROGRAMA DE
P
ÓS
G
RADUAÇÃO EM
E
NGENHARIA
E
LÉTRICA
R
OBERTO
T
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K
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O
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:
P
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.
D
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.
L
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M
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D
ESENVOLVIMENTO DE UM
S
ISTEMA
C
OMPUTADORIZADO PARA
E
NSAIOS DE
M
OTORES DE
I
NDUÇÃO
T
RIFÁSICOS
:
A
QUISIÇÃO
,
P
ROCESSAMENTO E
A
RMAZENAMENTO DE
D
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A
UXÍLIO DE UM
G
UIA
V
IRTUAL
A
UTOMATIZADO
.
G
OIÂNIA
,
2007
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R
OBERTO
T
ERUO
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OBAYASHI
D
ESENVOLVIMENTO DE UM
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ISTEMA
C
OMPUTADORIZADO PARA
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A
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.
D
ISSERTAÇÃO
A
PRESENTADA AO
C
URSO
DE
M
ESTRADO EM
E
NGENHARIA
E
LÉTRICA
DA
E
SCOLA DE
E
NGENHARIA
E
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C
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U
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F
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T
ÍTULO DE
M
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E
NGENHARIA
E
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C
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:
E
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E
LÉTRICA
O
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:
P
ROF
.
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.
L
OURENÇO
M
ATIAS
G
OIÂNIA
,
2007
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Dedico esse trabalho a meus pais, Yoshiyuki e Tomoko.
A
GRADECIMENTOS
Ao Prof. Dr. Lourenço Matias, pois além de orientar esse trabalho, sempre pude contar com
seu conhecimento, apoio e paciência. Além de orientador, tenho-o como um grande amigo.
Aos meus pais, Yoshiyuki e Tomoko e as minhas irmãs, Alice, Elza e Erica. Os valores que
aprendi com minha família tento aplicar ao resto de minha vida. Vocês me trouxeram até aqui.
A Marta por ter entendido minhas ausências, apoiado meu trabalho e pela crença (maior
que a minha) de que eu conseguiria superar as dificuldades e concluir esse trabalho.
Aos Professores Enes Gonçalves Marra, José Wilson Lima Nerys, Bernardo Pinheiro de
Alvarenga e Antônio Melo de Oliveira pela confiança em meu trabalho, pelo apoio e as valiosas
contribuições.
Ao Pacheco pelas proveitosas discussões que culminaram em elegantes soluções. Um novo
amigo que em pouco tempo se tornou um amigo de muito tempo.
Ao Wandré pela valiosa colaboração no desenvolvimento do programa, pelo apoio nos
momentos difíceis e por sua amizade.
Ao Magno pelas lições de programação, pelos “Debugs” só pela mentalização dos códigos
(...um dia chego lá) e pela amizade.
Aos amigos Rodrigo (Candango), Yghor, e Thyago pelo apoio, discussões,
companheirismo, conflitos, lealdade, “butecos”, ou seja, por tudo aquilo que compreende a
amizade.
2
Ao pessoal do LABMETRO Luiza, Rodrigo e Sonia pela colaboração e pela paciência em
todas as vezes que precisei de informações sobre os equipamentos do laboratório e informações
sobre os procedimentos de ensaios lá realizados.
A CAPES pelo apoio financeiro.
Por fim, a Deus, por ter proporcionado tudo pelo que tenho a agradecer.
A todos, registro aqui, meus sinceros agradecimentos.
Somos o resultado de nossas escolhas.
R
ESUMO
Este trabalho apresenta uma ferramenta computacional que auxilia a realização de ensaios
de motores de indução trifásicos com rotor do tipo gaiola. O programa desenvolvido automatiza a
aquisição, o processamento e o armazenamento dos dados provenientes dos ensaios. O operador
será orientado por um guia virtual automatizado que além de trazer informações sobre os
procedimentos a serem realizados emite alertas e avisos relativos aos procedimentos e analisa os
dados coletados comparando-os com parâmetros pré-estabelecidos. Os parâmetros pré-
estabelecidos e as informações transmitidas pelo guia virtual são extraídas de uma metodologia
de ensaios desenvolvida com base na NBR 5383-1:2002 (Máquinas elétricas girantes. Parte 1:
Motores de indução trifásicos – Ensaios). O desenvolvimento de um programa para auxiliar o
operador na realização de ensaios segue uma tendência evolutiva dos equipamentos de
instrumentação, pois os dados oriundos das leituras são processados por rotinas conhecidas que
podem ser personalizadas conforme as necessidades.
Palavras-chave: programa, ensaios, normas, motores de indução trifásicos.
A
BSTRACT
This work presents a computational tool for aiding the testing process of squirrel-cage
three-phase induction motors. The implemented program automates the acquisition, processing
and storing of data resulted from the motor tests. The program operator is guided by an
automated virtual tool that guides him throughout the process, with information and warns about
the test procedures, and carrying out comparative analyses between the collected data and a set of
reference parameters. The reference parameters and information used by the virtual guide were
extracted from a test methodology based on the NBR 5383-1:2002 (Rotating Electric Machines.
Part 1: Three-phase induction motors – Test). The development of a program for aiding the
operator during the motor tests follows an evolutionary trend of instrumentation equipments,
which make use of known algorithms for processing data, making possible the development of
personalized tools for attending different purposes.
Keywords – Software, tests, standards, three-phase induction motors
L
ISTA DE FIGURAS
F
IGURA
2.1
–
E
SQUEMA ELÉTRICO DE LIGAÇÃO PARA O MÉTODO DE BAIXA RESISTÊNCIA
................ 8
F
IGURA
2.2
–
E
SQUEMA ELÉTRICO DE LIGAÇÃO PARA O MÉTODO DE ALTA RESISTÊNCIA
.................. 9
F
IGURA
2.3
–
V
ISTA POSTERIOR DO DINAMÔMETRO DE
30
K
W....................................................... 15
F
IGURA
2.4
–
M
ESA DE COMANDOS
................................................................................................ 16
F
IGURA
2.5
–
V
ISTA DA PARTE TRASEIRA DO ANALISADOR DE ENERGIA COM OS CANAIS DE TENSÃO
E CORRENTE E AS PORTAS DE ACESSO AOS TRANSDUTORES E COMUNICAÇÃO SERIAL
,
DESTACADOS
.......................................................................................................................... 17
F
IGURA
2.6
–
D
IAGRAMA GERAL DA INTERAÇÃO ENTRE EQUIPAMENTOS E USUÁRIO
...................... 18
F
IGURA
4.1
–
T
RECHO DE CÓDIGO
,
EXEMPLIFICANDO O ARRANJO ESTÉTICO DO CÓDIGO
................ 39
F
IGURA
4.2
–
T
RECHOS DO CÓDIGO EXEMPLIFICANDO O AGRUPAMENTO DE TRECHOS
CORRELACIONADOS E SEPARADOS POR ESTRUTURAS INERTES
................................................ 40
F
IGURA
4.3
–
T
RECHO DO CÓDIGO EXEMPLIFICANDO SUA DOCUMENTAÇÃO
. ................................. 40
F
IGURA
4.4
–
T
ELA DO MÓDULO DE CADASTRO DE MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS
.................. 45
F
IGURA
4.5
–
F
LUXOGRAMA SIMPLIFICADO DO MÓDULO DE COMUNICAÇÕES
................................. 47
F
IGURA
4.6
–
E
XEMPLO DE AJUSTE DA SINTAXE DOS DADOS ENVIADOS PELO ANALISADOR DE
ENERGIA
................................................................................................................................. 50
F
IGURA
4.7
–
F
LUXOGRAMA SIMPLIFICADO DO FUNCIONAMENTO GERAL DO MÓDULO DE ENSAIOS
.
............................................................................................................................................... 55
F
IGURA
4.8
–
P
RIMEIRA TELA DO MÓDULO DE ENSAIOS
.................................................................. 58
F
IGURA
4.9
–
S
EGUNDA TELA DO MÓDULO DE ENSAIOS
.................................................................. 59
F
IGURA
4.10
–
T
ERCEIRA TELA DO MÓDULO DE ENSAIOS
. .............................................................. 61
F
IGURA
4.11
–
Q
UARTA TELA DO MÓDULO DE ENSAIOS
.................................................................. 62
F
IGURA
4.12
–
Q
UINTA TELA DO MÓDULO DE ENSAIOS
................................................................... 64
F
IGURA
4.13
–
S
EXTA TELA DO MÓDULO DE ENSAIOS
..................................................................... 65
F
IGURA
4.14
–
S
ÉTIMA TELA DO MÓDULO DE ENSAIOS
................................................................... 67
F
IGURA
4.15
–
O
ITAVA TELA DO MÓDULO DE ENSAIOS
................................................................... 68
F
IGURA
4.16
–
F
LUXOGRAMA DO ALGORITMO QUE GERA OS VETORES DE TENSÃO
,
CORRENTE E
POTÊNCIA INSTANTÂNEOS
....................................................................................................... 70
F
IGURA
4.17
–
F
LUXOGRAMA DO ALGORITMO QUE CALCULA OS VALORES DE TENSÃO DE FASE
,
CORRENTE DE LINHA E POTÊNCIA ATIVA
................................................................................. 71
L
ISTA DE TABELAS
T
ABELA
3.1
–
E
NSAIOS PARA VERIFICAÇÃO DE DESEMPENHO DE MOTORES DE INDUÇÃO
(NBR 7094:2003,
TABELA
22)............................................................................................... 21
T
ABELA
3.2
–
I
NFORMAÇÕES OBRIGATÓRIAS SOBRE O MOTOR E CONDIÇÕES DE ENSAIO
................ 22
T
ABELA
3.3
–
P
ERÍODO DE TEMPO DENTRO DO QUAL A PRIMEIRA LEITURA DA RESISTÊNCIA DEVE
SER ADOTADA COMO MEDIDA PARA DETERMINAR A TEMPERATURA
(T
ABELA
1,
DA SEÇÃO
13,
DA
NBR 5383-1:2002)........................................................................................................... 26
T
ABELA
4.1
–
P
ARÂMETROS AJUSTADOS NO ANALISADOR DE ENERGIA
.......................................... 42
T
ABELA
4.2
–
G
RANDEZAS MENSURADAS E SUAS CARACTERÍSTICAS
............................................. 42
T
ABELA
4.3
–
F
UNÇÕES DESENVOLVIDAS E UMA DESCRIÇÃO ABREVIADA
...................................... 49
T
ABELA
4.4
–
E
XEMPLOS DE ERROS DE DIGITAÇÃO
,
SUAS DESCRIÇÕES E SEU FORMATO CORRETO
. 50
T
ABELA
4.5
–
R
ESULTADOS OBTIDOS ATRAVÉS DOS ALGORITMOS QUE CALCULAM OS VALORES
EFICAZES DA TENSÃO E DA CORRENTE MÉDIAS E DA POTÊNCIA ATIVA TOTAL
......................... 72
T
ABELA
4.6
–
R
ESULTADOS OBTIDOS ATRAVÉS DOS ALGORITMOS QUE CALCULAM OS VALORES
EFICAZES DA TENSÃO E DA CORRENTE E DA POTÊNCIA ATIVA
,
POR FASE
................................ 73
T
ABELA
4.7
–
R
ESULTADOS DA DIFERENÇA ENTRE DOIS NÚMEROS REAIS E SEUS RESPECTIVOS
ERROS RELATIVOS PERCENTUAIS
............................................................................................ 74
T
ABELA
4.8
–
R
ESULTADOS DOS TESTES DE VELOCIDADE COM SUAS RESPECTIVAS CONFIGURAÇÕES
............................................................................................................................................... 75
L
ISTA DE
A
BREVIATURAS E
S
IGLAS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
ANSI American National Standards Institute
ASCII American Standard Code for Information Interchange
CONMETRO Conselho Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial
EEEC Escola de Engenharia Elétrica e de Computação
FHV Fator de Harmônicos de Tensão
IMFaC Identificação do Motor por Fabricante e Características
INMETRO Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial
IPL InterBase Public Lincense
LABMETRO Laboratório de Metrologia
MatLab
®
Matrix Laboratory
SFactor Parâmetro utilizado para controlar a taxa de amostragem do analisador de
energia
SQL Structured Query Language
UFG Universidade Federal de Goiás
2
S
UMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 1
1.1 P
ROCESSOS PRODUTIVOS
,
METROLOGIA E NORMALIZAÇÃO
.............................................. 1
1.2 N
OVAS TECNOLOGIAS APLICADAS AO CAMPO DA METROLOGIA E NORMALIZAÇÃO
.......... 2
1.3 M
OTIVAÇÃO E JUSTIFICATIVAS
......................................................................................... 3
1.4 O
BJETIVOS DO
T
RABALHO
................................................................................................ 4
1.5 E
STRUTURA DO TRABALHO
............................................................................................... 5
2 PRECAUÇÕES, PARÂMETROS E EQUIPAMENTOS.................................................. 6
2.1 P
ROCEDIMENTOS PREVENTIVOS
........................................................................................ 6
2.2 M
EDIDAS
.......................................................................................................................... 7
2.2.1 Resistência do enrolamento (Seção 7 da NBR 5383-1:2002) ..................................... 8
2.2.2 Determinação da temperatura do enrolamento (Seção 13.2 da NBR 5383-1:2002). 10
2.2.3 Características importantes dos instrumentos de medida (Seção 5 da NBR 5383-
1:2002)................................................................................................................................... 12
2.3 I
NSTALAÇÕES E EQUIPAMENTOS DISPONÍVEIS
................................................................. 13
2.3.1 A fonte de alimentação.............................................................................................. 13
2.3.2 Dinamômetros, mesas elevatórias e bancos de resistência........................................ 15
2.3.3 A mesa de comando................................................................................................... 15
2.3.4 Analisador de energia ............................................................................................... 16
2.3.5 Interação entre operador e equipamentos disponíveis no LABMETRO................... 17
2.4 C
ONSIDERAÇÕES FINAIS
................................................................................................. 18
3 METODOLOGIA DE ENSAIOS ...................................................................................... 20
3.1 L
EGISLAÇÃO
,
NORMAS E CRITÉRIOS PARA A DETERMINAÇÃO DOS ENSAIOS
.................... 20
3.2 E
TAPAS
........................................................................................................................... 22
3.2.1 Primeira etapa – Identificação................................................................................... 22
3.2.2 Segunda etapa – Resistência média de linha, a frio (Seção 7 da NBR 5383-1:2002)23
3.2.3 Terceira etapa – Rotor bloqueado (Seção 10 da NBR 5383-1:2002)........................ 24
3.2.4 Quarta etapa – Elevação de temperatura (Seção 13 da NBR 5383-1:2002).............. 25
3.2.5 Quinta etapa – Carga variável (Seção 15.4.2 da NBR 5383-1:2002)........................ 27
3.2.6 Sexta etapa – Correção das perdas no dinamômetro (Seção 24.2 da NBR 5383-
1:2002)................................................................................................................................... 28
3.2.7 Sétima etapa – Motor a vazio (Seção 14.3 da NBR 5383-1:2002)............................ 28
3
3.2.8 Oitava etapa – Resultados (Seções 14.1, 15.4.2, 24.2 da NBR 5383-1:2002) .......... 31
3.2.8.1 Conjugado corrigido.......................................................................................... 32
3.2.8.2 Potência dissipada por efeito joule.................................................................... 32
3.2.8.3 Perda total aparente ........................................................................................... 33
3.2.8.4 Perda suplementar.............................................................................................. 34
3.2.8.5 Potência de saída corrigida................................................................................ 34
3.2.8.6 Rendimento........................................................................................................ 35
3.3 C
ONSIDERAÇÕES FINAIS
................................................................................................. 35
4 DESENVOLVIMENTO DO PROGRAMA...................................................................... 37
4.1 C
ARACTERÍSTICAS DO CÓDIGO FONTE
............................................................................ 38
4.1.1 Organização e documentação do código fonte.......................................................... 38
4.2 P
ARÂMETROS DO ANALISADOR DE ENERGIA
................................................................... 41
4.3 A
ESTRUTURA DO PROGRAMA
......................................................................................... 43
4.3.1 Módulo de Cadastros................................................................................................. 43
4.3.2 Módulo de Comunicações......................................................................................... 45
4.3.3 Módulo Repositório................................................................................................... 48
4.3.3.1 Verificação de dados ......................................................................................... 49
4.3.3.2 Ajuste da sintaxe................................................................................................ 50
4.3.3.3 Cálculo do valor médio e eficaz........................................................................ 50
4.3.3.4 Método dos mínimos quadrados........................................................................ 52
4.3.4 Módulo de Ensaios .................................................................................................... 53
4.3.4.1 Adequação dos dados amostrados..................................................................... 56
4.3.4.2 Primeira tela – Identificação.............................................................................. 57
4.3.4.3 Segunda tela – Resistência média de linha, a frio ............................................. 59
4.3.4.4 Terceira tela – Rotor Bloqueado........................................................................ 60
4.3.4.5 Quarta tela – Elevação de temperatura.............................................................. 61
4.3.4.6 Quinta tela – Carga variável.............................................................................. 63
4.3.4.7 Sexta tela – Correção das perdas no dinamômetro............................................ 64
4.3.4.8 Sétima tela – Motor a vazio............................................................................... 65
4.3.4.9 Oitava tela – Resultados.................................................................................... 67
4.4 O
BANCO DE DADOS
........................................................................................................ 68
4.5 C
OMPARATIVOS
.............................................................................................................. 69
4.5.1 Precisão dos cálculos................................................................................................. 69
4.5.2 Velocidade................................................................................................................. 74
4.6 D
ESENVOLVIMENTO ESPECIALIZADO
.............................................................................. 76
4.7 C
ONSIDERAÇÕES FINAIS
................................................................................................. 76
5 CONCLUSÃO...................................................................................................................... 78
REFERÊNCIAS .......................................................................................................................... 80
APÊNDICE A .............................................................................................................................. 82
APÊNDICE B............................................................................................................................... 87
4
APÊNDICE C .............................................................................................................................. 91
APÊNDICE D .............................................................................................................................. 93
ANEXO A..................................................................................................................................... 95
1 INTRODUÇÃO
A adoção de novas tecnologias pela sociedade, geralmente, introduz mudanças no
relacionamento do homem com os meios de produção, através da substituição ou evolução dos
processos produtivos. A automação dos processos produtivos pode ser considerada como uma
dessas mudanças, que ocorreu em função da adoção de várias novas tecnologias. Ela tornou a
produção mais eficiente e rápida, aumentando a capacidade produtiva das indústrias e permitindo
um melhor controle de qualidade.
Um exemplo é o motor elétrico, cuja produção dependia, predominantemente, da habilidade
manual do operário responsável pela montagem de seus componentes, tornando o processo quase
artesanal. Com a adoção de novas tecnologias, alguns motores elétricos de baixa potência – por
exemplo, os utilizados em eletrodomésticos – podem ser totalmente fabricados sem a
interferência da mão de obra humana e a produção de motores elétricos como os motores de
indução trifásicos é menos dependente da habilidade do operário.
Um outro campo que também pode sofrer mudanças devido à introdução de novas
tecnologias é o da regulamentação e fiscalização dos processos produtivos. Novas tecnologias
podem proporcionar maior precisão e rapidez na verificação do cumprimento de regulamentos
através da modernização dos equipamentos empregados em avaliações de produtos. Como nos
ensaios para obtenção de dados para determinação de características de desempenho e
conformidade aplicados a motores de indução trifásicos.
1.1 Processos produtivos, metrologia e normalização
A condução dos processos produtivos em uma empresa privada é influenciada por diversos
fatores como novas tecnologias, estratégias administrativas, relação procura/demanda, ideologias,
qualidade, segurança, meio ambiente, entre outros. Entretanto, o cerne de qualquer empresa
consolidada no mercado gira em torno da obtenção de lucros, pois sem estes não há
empreendimento sustentável. Logo, quaisquer desses fatores, em uma situação adversa à
empresa, podem tornar-se secundários frente à necessidade da empresa manter-se rentável.
2
Para uma empresa, do ponto de vista da rentabilidade, é interessante manter somente os
fatores que aumentem seus ganhos e a coloque à frente de quaisquer concorrentes. Num cenário
onde as empresas pudessem selecionar, arbitrariamente, os fatores que às gerem, existe o risco de
se extinguir fatores como concorrência leal, qualidade dos produtos, segurança e respeito ao meio
ambiente.
No intuito de diminuir esse risco ou mesmo de eliminá-lo, cabe aos órgãos reguladores a
supervisão e normalização dos processos produtivos de forma a proporcionar um ambiente
saudável para a livre concorrência, produtos seguros e com qualidade e responsabilidade
ambiental, para toda a sociedade.
No Brasil o INMETRO (Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade
Industrial) busca proporcionar a sociedade confiança nas medições e produtos por meio da
metrologia e avaliação da conformidade (INMETRO, 2007). A ABNT (Associação Brasileira de
Normas Técnicas) é credenciada como único fórum nacional de normalização sendo responsável
pela elaboração das normas brasileiras de caráter voluntário. A normalização fornece à sociedade
conhecimento sistematizado que regulamenta os processos produtivos.
Os motores de indução trifásicos voltados ao atendimento do mercado interno nacional
devem atender aos requisitos básicos prescritos pela ABNT.
1.2 Novas tecnologias aplicadas ao campo da metrologia e normalização
Os novos equipamentos digitais de medidas de grandezas elétricas e mecânicas não
somente possuem maior precisão do que seus equivalentes analógicos, mas apresentam também
interfaces de comunicação, que permitem a transmissão dos dados oriundos de leituras efetuadas,
para microcomputadores, sem a necessidade de serem transcritos por um operador.
A capacidade crescente do poder de processamento dos atuais microcomputadores excede
em muitas vezes o poder de processamento dos microprocessadores dedicados dos equipamentos
digitais de medidas, possibilitando a atribuição de novas funções aos microcomputadores e
permitindo ir além de programas para edição de texto e planilhas eletrônicas.
3
A simulação por computador de sistemas físicos representados por modelos matemáticos é
um exemplo do completo aproveitamento do poder de processamento dos microcomputadores e
um exemplo mais recente é o da instrumentação virtual.
A instrumentação virtual (MOREIRA, 2006) trata do emprego de equipamentos de medidas
aptos a enviar dados de leituras para um microcomputador onde, através de um programa
desenvolvido com essa finalidade, uma interface gráfica entre o operador e o microcomputador
permite o acesso aos dados no formato de gráficos ou valores. Essa maneira de lidar com os
dados de leituras permite uma flexibilidade inexistente em dispositivos de medidas digitais, pois
o programa desenvolvido para o microcomputador pode ser modificado conforme surjam as
necessidades.
A queda de preço dos microcomputadores de mesa e portáteis colabora para utilização mais
ampla dos mesmos em laboratórios de ensaios e é mais barato desenvolver modificações para um
programa de instrumentação virtual adicionando novas funcionalidades do que ter que adquirir
um equipamento exclusivamente dedicado a essa tarefa.
Com o desenvolvimento de ferramentas virtuais próprias utilizadas para o processamento
dos dados aparece outra vantagem que é conhecer completamente os procedimentos que lidam
com os dados de leituras (Ferrero, 1990). Dessa maneira erros detectados podem ser corrigidos e
quaisquer mudanças, caso necessárias, podem ser imediatamente aplicadas.
1.3 Motivação e justificativas
No meio científico a garantia de reprodutibilidade de resultados, obtidos por meio de
experimentos, encontra sua importância na validação de resultados e métodos empregados. Por
sua vez a validação se faz necessária para dar autenticidade à pesquisa desenvolvida.
Com o intuito de proporcionar reprodutibilidade e permitir a validação dos resultados são
necessárias regras para a condução dos experimentos e a aquisição de dados, regras estas, que
devem ser abrangentes e acessíveis. A NBR 5383-1:2002 vem atender a essas necessidades ao
proporcionar um conjunto de regras para a condução dos ensaios de motores de indução trifásicos
e os parâmetros de aquisição de dados.
4
Logo, o desenvolvimento de uma metodologia de ensaios de motores de indução trifásicos
que atenda as prescrições da NBR 5383-1:2002, atende as necessidades do meio científico e
ainda oferece um conjunto de procedimentos padronizados, proporcionando o estabelecimento de
uma linguagem técnica padronizada e facilitando a troca de informações entre pesquisadores e
fabricantes.
Os métodos que utilizam equipamentos tradicionais de ensaio de motores de indução
trifásicos envolvem instrumentos, analógicos ou digitais, de medidas elétricas e mecânicas
operados pela mão humana. Leituras e anotações podem requisitar atenção por longos períodos
de tempo e a obtenção dos resultados se dá por cálculos manuais ou com o auxílio de planilhas
eletrônicas. Essas operações dependem da habilidade e da resistência física de um operador
humano, o que pode introduzir erros nos procedimentos de leitura e cálculos, caso o operador
falhe devido à falta de habilidade ou cansaço (Dai, 2000).
Este trabalho visa o desenvolvimento de uma metodologia de ensaios de motores de
indução trifásicos apoiada nas idéias expostas até aqui e considerando o LABMETRO
(Laboratório de Metrologia) como objeto de estudo. O LABMETRO, um laboratório da Escola
de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade Federal de Goiás, foi criado com o
intuito de executar ensaios em transformadores e motores de indução trifásicos. Hoje, o
laboratório não está completamente operacional, pois as instalações referentes aos ensaios de
motores não foram concluídas.
1.4 Objetivos do Trabalho
O presente trabalho tem como objetivo desenvolver um sistema virtual de aquisição e
processamento de dados, para aumentar a eficiência dos procedimentos de ensaio de motores de
indução trifásicos e melhorar a conservação, organização e recuperação dos dados. Este sistema
será moldado para atender a metodologia de ensaios (exposta no Capítulo 3) e se apresentará na
forma de um programa de computador, composto de interface gráfica entre operador e
computador, interface de comunicação serial entre o computador e instrumento de medida e um
gerenciador de base de dados similar a gerenciadores como o Oracle, SQL Server e PostGreSQL,
denominado Firebird.
5
O programa também orientará o operador quanto à execução dos procedimentos da
metodologia desenvolvida da seguinte maneira:
• Indicando os procedimentos a serem executados;
• Indicando os procedimentos concluídos;
• Emitindo avisos de orientação;
• Verificando os dados coletados por comparação pelos limites prescritos pela norma;
• Emitindo alertas de não conformidade;
• Produzindo relatório padronizado.
1.5 Estrutura do trabalho
Além deste capítulo introdutório, o texto é desenvolvido ao longo de quatro outros
capítulos divididos da seguinte maneira:
• Capítulo 2 – Apresenta conceitos e parâmetros que serão utilizados ao longo desse
trabalho, apresenta também as especificações das instalações e equipamentos, assim como
as exigências da norma.
• Capítulo 3 – Trata do desenvolvimento da metodologia de ensaios, baseada em normas
nacionais e adequada às instalações disponíveis.
• Capítulo 4 – Trata da automatização do sistema de aquisição, processamento e gravação
dos dados oriundos dos ensaios e do guia de ensaios. Traz também um tópico com
comparações de precisão e desempenho, usando o MatLab
®
como referência.
• Capítulo 5 – Conclusão do trabalho.
2 PRECAUÇÕES, PARÂMETROS E EQUIPAMENTOS
Antes de iniciar o desenvolvimento de uma metodologia de ensaios é necessário conhecer
medidas preventivas básicas para assegurar a integridade física do pessoal envolvido nos ensaios,
dos equipamentos e instalações utilizados e dos motores sob ensaio. Também deve-se saber quais
dados serão coletados durante o ensaio, de que maneira devem ser efetuadas as leituras e quais
são suas faixas de variação aceitáveis.
Para o entendimento desse capítulo é necessário assumir que as informações apresentadas
na forma de limites ou métodos impostos são oriundas da NBR 5383. Outras fontes utilizadas
nesse capítulo são manuais de operação das bancadas de ensaio WEG e do analisador de energia
Norma 4000 (informações técnicas no Anexo A).
2.1 Procedimentos preventivos
Os motores submetidos aos procedimentos de ensaio, descritos neste trabalho, devem estar
em perfeito estado de funcionamento, tendo em vista que, muitos dos procedimentos adotados
impõem esforços mecânicos ou térmicos ou ambos, além dos limites nominais do motor, mas,
sempre que possível, os valores nominais de alimentação e operação do motor, determinados
pelos fabricantes, devem ser respeitados.
Os procedimentos de ensaio devem obter dados do motor sob condições nominais, dentro
das especificações normativas de utilização, portanto os motores devem estar montados e
fechados, como se estivessem prontos para o funcionamento, exceto em casos onde o contrário
seja explicitamente descrito.
Os ensaios serão voltados a motores de indução trifásicos, com rotor do tipo gaiola.
Dispositivos de ajuste automático da tensão, que não fazem parte do motor devem ser
desativados.
Nas leituras coletadas para determinação do desempenho do motor a elevação de
temperatura deve permanecer dentro da faixa de 50% a 100% de sua temperatura nominal e a
7
maneira habitual de proceder com as leituras em relação à carga, é efetuá-las em ordem
decrescente.
O ensaio com rotor bloqueado e tensão nominal sujeita o motor a esforços mecânicos e
variações térmicas que vão muito além das condições nominais, portanto, cuidados especiais são
necessários:
• Deve-se ter garantias que o bloqueio mecânico do rotor terá resistência adequada para
evitar injúrias ao pessoal envolvido no ensaio e danos aos equipamentos e instalações de
ensaio;
• Em casos onde o bloqueio depende do sentido de rotação, este deve ser determinado antes
do ensaio;
• O motor deve estar aproximadamente a temperatura ambiente, antes da realização do
ensaio;
• As leituras de tensão, corrente e conjugado devem ser efetuadas logo após a tensão ser
aplicada aos terminais do motor, em um intervalo de tempo menor ou igual a cinco
segundos;
• A temperatura final dos enrolamentos do motor não deve exceder sua temperatura
nominal acrescida de 40º C.
A determinação do desempenho de um motor de indução depende da tensão e freqüência a
ele aplicadas, mas depende também de sua forma de onda e do equilíbrio do módulo e ângulo
entre as fases. Por esse motivo a fonte trifásica de alimentação não deve apresentar desequilíbrio
entre as fases e a tensão deve ser aproximadamente senoidal. As leituras devem ser efetuadas
com cuidado para assegurar a isenção de erros sobre os dados coletados.
2.2 Medidas
Quando não houver indicação contrária, grandezas elétricas como tensão e corrente serão
os valores eficazes de linha.
8
A resistência será dada em Ω (ohms). O conjugado e a velocidade serão dados em N.m
(newton vezes metro) e rpm (rotações por minuto), respectivamente.
Os valores de temperatura requisitados durante os procedimentos ou apresentados como
resultados serão expressos em ºC (grau celsius), exceto quando houver indicação contrária.
2.2.1 Resistência do enrolamento (Seção 7 da NBR 5383-1:2002)
As resistências utilizadas nessa metodologia são determinadas através do método da tensão
e corrente. Este método consiste em aplicar uma tensão CC, entre os terminais do motor,
medindo em seguida a tensão e a corrente CC resultantes. Para evitar o aquecimento durante este
ensaio, a corrente CC circulante nas bobinas do estator não pode exceder 15% do seu valor
nominal e o tempo considerado não deve ser superior a um minuto. Uma recomendação para
utilização de um resistor limitador é prescrita, caso este seja necessário. No entanto, neste
trabalho, uma fonte CC com limitação de corrente foi empregada e por este motivo omitiu-se o
resistor limitador de corrente no esquema das Figuras 2.1 e 2.2.
Os cálculos para determinação das resistências são efetuados conforme as seguintes faixas
de resistência:
• 100 µΩ a 5 Ω, o esquema elétrico pode ser visto na Figura 2.1.
Figura 2.1 – Esquema elétrico de ligação para o método de baixa resistência.
9
v
x
RVI
V
R
/−
=
(2.1)
•
5 Ω a 10 kΩ, o esquema elétrico pode ser visto na Figura 2.2.
Figura 2.2 – Esquema elétrico de ligação para o método de alta resistência.
I
RIV
R
a
x
.−
=
(2.2)
Sendo:
R
x
-
resistência do componente sob ensaio (Ω)
V -
tensão aplicada ao enrolamento (V)
I -
corrente CC circulante no componente (A)
R
v
-
resistência interna do voltímetro (Ω)
R
a
-
resistência interna do amperímetro (Ω)
A utilização desse método implica no conhecimento prévio da resistência estimada do
componente ensaiado. Tal estimativa pode vir da experiência com ensaios anteriores, dados de
fabricantes ou de um cálculo prévio aplicando a lei de Ohm.
A resistência do estator será expressa em ohms e fará referência à resistência média de
linha. Considerando que o motor esteja conectado em estrela ou triângulo, a resistência média de
linha é determinada através da média aritmética de três a cinco medidas de resistência entre dois
10
terminais quaisquer de alimentação do motor, mas depois de escolher o par de terminais todas as
leituras devem ser efetuadas no par eleito. Leituras com divergências superiores a 1% da média
devem ser descartadas.
2.2.2 Determinação da temperatura do enrolamento (Seção 13.2 da NBR 5383-1:2002)
Quatro métodos de determinação da temperatura do enrolamento são sugeridos pela
NBR5383:
•
Termométrico: Consiste na determinação da temperatura com a utilização de termômetros
(álcool ou resistência) ou termopares aplicados à parte mais quente do motor, acessível a
um desses dispositivos. Bons projetos de motores visam aumentar a transmissão de calor
dos enrolamentos para o exterior, tornando a temperatura da parte externa da carcaça a
mais próxima possível do enrolamento do estator. Por outro lado, outros projetos podem
apresentar uma transmissão, pouco eficiente, de calor dos enrolamentos para o exterior
resultando em uma grande diferença entre a temperatura da parte externa da carcaça e do
enrolamento. O problema é conhecer a curva de decaimento da temperatura a partir do
interior do motor até a parte externa da carcaça, uma informação nem sempre disponível.
Portanto, a temperatura da carcaça não é uma boa indicação da temperatura dos
enrolamentos (WEG, 2002).
•
Detectores de temperatura embutidos: Consiste na determinação da temperatura com a
utilização de termopares, ou termômetros de resistência embutidos no motor. Detectores
embutidos na parte externa do motor sofrem do mesmo problema do método
termométrico e na parte interna apresentam dificuldade de acesso para sua instalação.
•
Detector local de temperatura: Consiste na determinação da temperatura em vários locais
do motor, através de sensores posicionados próximos aos locais onde se deseja conhecer a
temperatura, tais sensores não devem ter uma dimensão maior que 50mm e, geralmente
são instalados como partes permanentes do motor e em locais inacessíveis a termômetros
de álcool. Sensores permanentes encarecem a fabricação dos motores e normalmente não
11
fazem parte dos catálogos comerciais, demandando encomendas especiais para sua
aquisição, o que torna o método impraticável para a maioria dos motores.
•
Variação da resistência: Consiste na determinação da temperatura através da comparação
entre duas medidas de resistência, a primeira a uma temperatura conhecida e a segunda a
uma temperatura a ser determinada. Este método pode ser aplicado a qualquer motor e
desde que sejam utilizados equipamentos de medida adequados, com escalas corretamente
ajustadas, uma boa precisão na determinação da temperatura pode ser alcançada.
Observando as características de cada método, os equipamentos e instalações disponíveis
decidiu-se por utilizar o método de variação da resistência para a determinação da temperatura do
enrolamento do estator. Tal método consiste na determinação da temperatura através da
comparação entre duas medidas de resistência, a primeira a uma temperatura conhecida e a
segunda na temperatura a ser determinada conforme a Equação 2.3.
(
)
( )
kt
R
RR
tt −
+
+=
1
1
12
12
(2.3)
Sendo:
1
t
-
corresponde à temperatura de referência (ºC)
1
R
-
corresponde ao valor de referência do enrolamento (
Ω
), previamente medida a uma
temperatura conhecida
1
t
;
2
t
-
corresponde à temperatura do enrolamento aquecido (ºC)
2
R
-
corresponde à resistência do enrolamento (
Ω
), sob a temperatura
2
t
;
k
-
constante determinada para o cobre eletrolítico com 100% de condutividade, com valor de
234,5.
Com o motor em equilíbrio térmico com o ambiente aplica-se uma tensão CC, com o
auxílio de uma fonte CC variável, em dois terminais quaisquer do motor e efetuam-se de três a
cinco leituras de corrente e tensão. Não se deve permitir que uma corrente CC superior a 15% do
seu valor nominal circule pela bobina. As leituras devem ser efetuadas, no máximo, em um
12
minuto e devem ser efetuadas nos terminais do motor. A temperatura ambiente deve ser colhida
próxima ao motor.
Este método pode ser aplicado a qualquer motor, desde que sejam utilizados equipamentos
de medida adequados para a tarefa e devidamente calibrados. Desde que os procedimentos sejam
seguidos e as escalas dos dispositivos de leitura sejam adequadamente ajustadas uma boa
precisão na determinação da temperatura pode ser alcançada.
2.2.3 Características importantes dos instrumentos de medida (Seção 5 da NBR 5383-
1:2002)
A escolha correta dos instrumentos de medida para efetuar as leituras elétricas e mecânicas
descritas anteriormente, será decisiva na obtenção de dados com boa precisão. Por exemplo, a
precisão dos instrumentos de medidas é expressa por uma percentagem do fundo de escala, logo,
quanto mais próximo do fundo de escala estiver a leitura efetuada, maior a precisão. As seguintes
características devem ser observadas nos instrumentos de leituras:
•
Calibragem efetuada nos últimos 12 meses;
•
Precisão de
±
0,2% para as leituras utilizadas na determinação do rendimento;
•
Precisão de
±
0,5% para as leituras utilizadas no outros procedimentos que não o da
determinação do rendimento.
Aparelhos eletrônicos apresentam uma maior impedância de entrada, reduzindo a
necessidade de correções devido a corrente drenada pelos instrumentos. No entanto, instrumentos
com alta impedância são mais afetados por ruídos, logo, a blindagem dos cabos de sinais e a
distância dos cabos de potência são importantes.
A utilização de transformador de corrente ou de potencial pode exigir correções nas
medidas de tensão e corrente para erros de relação de transformação. As medidas de potência
podem exigir correções nas relações de transformação e no ângulo de fase. A tolerância para
erros é de
±
0,3% para as medidas utilizadas na determinação do rendimento (o método será
apresentado no Capítulo 3) e de
±
0,5% para outras medidas.
13
Para a leitura de tensão os instrumentos devem ser ligados aos terminais do motor, caso não
seja possível deve-se avaliar o erro introduzido e realizar correções.
Os instrumentos devem obter a corrente de linha das três fases, pois no cálculo do
desempenho do motor a média aritmética dessas correntes será utilizada.
O dimensionamento do dinamômetro é realizado em função das seguintes características:
•
Perdas no acoplamento e por atrito e ventilação do dinamômetro elétrico. Tais perdas
devem ser inferiores a 15% da potência de saída nominal do motor sob ensaio em
velocidade nominal;
•
O dinamômetro deve ser sensível a 0,25% do conjugado nominal do motor sob ensaio;
•
Leituras de conjugado para a determinação do rendimento, como será apresentado no
Capítulo 3, devem permanecer dentro da faixa de
±
0,2% do fundo de escala.
2.3 Instalações e equipamentos disponíveis
O sistema consiste em dois dinamômetros com máquinas CC, duas mesas elevatórias, uma
mesa de comando, bancos de resistores, uma fonte de alimentação CA, um analisador de energia
de três canais e um microcomputador.
2.3.1 A fonte de alimentação
Para garantir que as medidas não serão afetadas por uma fonte de alimentação deficiente,
esta deve atender aos seguintes requisitos (Seção 5 da NBR 5383-1:2002):
•
Tensão aproximadamente senoidal, apresentando um FHV (Fator de Harmônicos de
Tensão) igual ou inferior a 0,02, exceto para motores da categoria N, que devem
apresentar um FHV igual ou superior a 0,03. O FHV é obtido utilizando-se a
Equação (2.4);
14
Cálculo do fator de harmônicos de tensão:
∑
=
n
un
FHV
2
(2.4)
Sendo:
FHV
-
Fator de harmônicos de tensão
un
-
Valor por unidade, do harmônico de tensão, referido a tensão nominal
n
-
Ordem do harmônico, não divisível por três no caso de motores trifásicos
•
Desequilíbrio percentual da tensão, inferior a 0,5% da nominal, seu cálculo se dá pela
Equação (2.5);
Cálculo do desequilíbrio percentual da tensão:
M
M
V
D
D
100
%
=
(2.5)
Sendo:
D
%
-
desequilíbrio percentual da tensão
D
M
-
desvio máximo entre as fases (V)
V
M
-
tensão média entre as fases (V)
•
Freqüência média deve permanecer no intervalo de –0,10% a +0,10% da freqüência
aplicada;
•
Ausência de variações bruscas na freqüência, pois além de afetar o motor ensaiado,
afetam os equipamentos de medição da potência de saída. Estas variações não devem
exceder 0,33% da freqüência média.
15
2.3.2 Dinamômetros, mesas elevatórias e bancos de resistência
Cada dinamômetro é composto por uma máquina de corrente contínua mais um sistema de
medição do conjugado por célula de carga e um encoder de medição de velocidade. Uma
máquina tem potência de 100 kW e a outra 30 kW, ambas funcionam como geradores e a energia
é dissipada nos bancos de resistores. A parte posterior do dinamômetro de 30 kW pode ser vista
na Figura 2.3, com destaque para o encoder e a célula de carga.
Cada mesa elevatória possui um fuso de elevação motorizado, permitindo o alinhamento do
eixo do motor ao eixo do dinamômetro.
A energia gerada nas máquinas CC é dissipada em bancos de resistores de 100 kW e de 30
kW, cada qual ligado aos motores de potência correspondente. A potência exigida por cada banco
é variável e pode ser pré-ajustada em 25%, 50%, 75% e 100% de sua capacidade (WEG, Manual
de operação).
Figura 2.3 – Vista posterior do dinamômetro de 30 kW.
2.3.3 A mesa de comando
A mesa de comando, Figura 2.4, é composta por diversos instrumentos de medição e
controle dos dispositivos envolvidos nos ensaios. Valendo-se da mesa é possível monitorar as
16
leituras de tensão e corrente de campo e de armadura das máquinas CC dos dinamômetros, a
velocidade dos motores sob teste e a temperatura ambiente. Também é possível controlar a
comutação dos taps de corrente do transformador de corrente e dos taps de tensão da alimentação
dos motores sob teste, assim como a operação dos dinamômetros.
Figura 2.4 – Mesa de comandos.
2.3.4 Analisador de energia
Grandezas elétricas serão medidas por meio de um analisador de energia, Figura 2.5, de três
fases, sendo três canais de tensão e três de corrente, há ainda uma porta especial, que dá acesso a
um transdutor. O apêndice D e o anexo A apresentam mais informações a respeito do analisador
de energia (Norma 4000).
O separador decimal utilizado pelo analisador de energia é o ponto, logo, todos os valores
coletados, gravados e exibidos não estão em conformidade com o que é convencionado no Brasil.
Ao transmitir dados para um microcomputador que tem seu sistema operacional configurado para
trabalhar com a convenção nacional, onde a vírgula é o separador decimal, uma adequação dos
dados se faz necessária.
17
Figura 2.5 – Vista da parte traseira do analisador de energia com os canais de tensão e corrente e as portas de
acesso aos transdutores e comunicação serial destacados.
2.3.5 Interação entre operador e equipamentos disponíveis no LABMETRO
Na Figura 2.6 são apresentados, de maneira simplificada, os equipamentos disponíveis no
LABMETRO e as possíveis interações entre equipamentos e operador, essas interações são
descritas a seguir:
•
Ao operar o microcomputador, ativando o programa, o operador pode entrar com dados
ou comandos requisitados e configurar o analisador de energia e ativar seus sensores;
•
O analisador de energia pode medir a tensão de alimentação do motor e a corrente de
saída do transformador de corrente. Também pode ler e os sinais do encoder e da célula
de carga;
•
Ao operar a bancada o operador pode ativar ou desativar a fonte CA e controlar os bancos
de resistores;
18
Figura 2.6 – Diagrama geral da interação entre equipamentos e usuário.
2.4 Considerações finais
Neste capítulo foram apresentadas as informações prévias para a determinação da
metodologia de ensaios. Foram levantadas as condições oferecidas pelas instalações do
LABMETRO, as exigências da norma e os ensaios que podem ser realizados.
19
Foram apresentadas medidas para prevenir danos aos equipamentos de ensaio, aos motores
ensaiados e injúrias ao pessoal envolvido nos ensaios. Também foram definidas as unidades que
serão utilizadas nas leituras das grandezas elétricas e os métodos de determinação da temperatura
do enrolamento do estator e de sua resistência. Por fim foram apresentadas as características
técnicas, dos equipamentos e instalações, relevantes à determinação das capacidades do
LABMETRO em relação às prescrições da norma.
O capítulo seguinte expõe a metodologia desenvolvida a com base nas prescrições da
NBR 5383, no entanto, respeitando as capacidades das instalações do LABMETRO.
3 METODOLOGIA DE ENSAIOS
3.1 Legislação, normas e critérios para a determinação dos ensaios
A NBR 5383-1:2002 prescreve ensaios para determinação de características de desempenho
e conformidade com a NBR 7094:2003, esta, por sua vez, fixa requisitos básicos a serem
atendidos pelos motores de indução.
A utilização de uma ABNT NBR (sigla de Norma Brasileira aprovada pela ABNT) tem
caráter voluntário e é fundamentada no consenso da sociedade, tornando-se obrigatória quando
estabelecido pelo poder público, na forma de leis, decretos, portarias, etc (ABNT, 2007).
No entanto, mesmo não obrigatória o inciso VIII do Art. 39° do código de defesa do
consumidor estabelece que é proibido ao fornecedor de produtos ou serviços: “colocar, no
mercado de consumo, qualquer produto ou serviço em desacordo com as normas expedidas pelos
órgãos oficiais competentes ou, se normas específicas não existirem, pela Associação Brasileira
de Normas Técnicas ou outra entidade credenciada pelo Conmetro (Conselho Nacional de
Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial)” (Brasil, 1990).
Há ainda o Art. 1° da Lei 9.933, que estabelece: “Todos os bens comercializados no Brasil,
insumos, produtos finais e serviços, sujeitos a regulamentação técnica, devem estar em
conformidade com os regulamentos técnicos pertinentes em vigor” (Brasil, 1999).
A Tabela 22 da NBR 7094:2003 separa os ensaios da NBR 5383-1:2002 em três classes:
ensaios de rotina, de tipo e especiais. Ensaios de rotina são aplicados a todos os motores de
indução, durante ou após sua fabricação, no intuito de verificar se o mesmo satisfaz a critérios
definidos. Ensaios de tipo são aplicados a um ou mais motores, fabricados segundo um
determinado projeto, para comprovar que o projeto satisfaz determinadas especificações. Ensaios
especiais são aqueles não considerados como ensaios de rotina ou de tipo e são realizados
somente mediante acordo entre fabricante e comprador. Os ensaios normativos, identificados
quanto a sua classe, estão listados na Tabela 3.1.
21
Tabela 3.1 – Ensaios para verificação de desempenho de motores de indução (NBR 7094:2003, tabela 22)
Item
Ensaio (de/para) Classe Observações
1 Medição da resistência de isolamento Rotina/Tipo
2
Medição da resistência elétrica do
enrolamento do estator, a frio
Rotina/Tipo
3 Dielétrico Rotina/Tipo
Ver seção 9 da NBR 7094:2003
4 Em vazio Rotina/Tipo
Permite a determinação da soma das perdas no núcleo e
das perdas por atrito e ventilação
5 Rotor bloqueado Rotina/Tipo
Não aplicável a motores com rotor bobinado
6 Medição da tensão secundária Rotina/Tipo
Aplicável somente a motores com rotor bobinado
7 Partida Especial
Não aplicável a motores com rotor bobinado, exceto para
o conjugado máximo. Ver item 13 desta tabela
8 Temperatura Tipo Ver seção 7 da NBR 7094:2003
9
Determinação do rendimento a 100%,
75% e 50% da potência nominal
Tipo
10
Determinação das perdas a 100%, 75%
e 50% da potência nominal
Tipo
11
Determinação do fator de potência a
100%, 75% e 50% da potência nominal
Tipo
12
Determinação do escorregamento a
100%, 75% e 50% da potência nominal
Tipo
13 Determinação do conjugado máximo Tipo
14 Sobrevelocidade Especial Ver seção 12 da NBR 7094:2003
15 Nível de ruído Especial Ver NBR 7565:1982
16
Tensão no eixo e medição da resistência
de isolamento
Especial
Geralmente feito em motores com potência nominal
superior a 350 kW (500 cv)
17 Vibração Especial Ver NBR 11390:1990
18
Medição da tangente do ângulo de
perdas
Especial
Para motores com tensão nominal entre 5 kV e 24 kV e
com potência nominal superior a 5 MW. Ver
NBR 5117:1984
Nem todos os ensaios prescritos pela norma podem ser efetuados nas instalações do
LABMETRO e alguns só podem ser realizados acessando o interior do motor, logo, foi
necessário efetuar uma seleção dos ensaios. Os critérios para a seleção envolvem as capacidades
das instalações e equipamentos e o tipo de dados que se deseja obter. Uma descrição detalhada
das instalações e equipamentos pode ser vista no item 2.3.
O ensaio de uma máquina de indução trifásica é realizado executando-se uma longa lista de
pequenas tarefas, com maior ou menor complexidade, entretanto, todas demandam tempo e
22
atenção. Leituras visuais equivocadas e anotações incorretas diminuem a confiabilidade do
ensaio, ou mesmo a perda de sua validade. O desenvolvimento foca a melhora do uso do tempo e
a organização das tarefas a serem cumpridas, mas observando-se as restrições supracitadas e
determinações da norma. Para tanto, as tarefas são divididas em etapas e, sempre que possível
cada etapa agrupa tarefas correlatas ou interdependentes.
Antes de dar início aos procedimentos de ensaio, existem informações sobre o motor e as
condições de ensaio que devem ser, obrigatoriamente, conhecidas e são descritas na Tabela 3.2.
O desconhecimento de uma ou mais informações pode impedir a realização de alguma etapa ou
de todas elas.
Tabela 3.2 – Informações obrigatórias sobre o motor e condições de ensaio.
Sobre o motor Condições de ensaio
Velocidade síncrona (rpm) Conexão de alimentação (estrela ou triângulo)
Potência (kW ou cv) Tensão de ensaio (V)
Elevação de temperatura (K)
Tempo máximo de rotor bloqueado (s)
3.2 Etapas
3.2.1 Primeira etapa – Identificação
Nesta etapa são coletados os dados que identificam o ensaio, o motor, o proprietário e o
técnico responsável. Informações que identifiquem o ensaio, suas condições de realização e o
código de identificação do motor também são requisitados. Uma listagem dessas informações é
apresentada a seguir:
•
Código do ensaio: código alfa-numérico, único, que identifica cada ensaio;
•
Tipo de conexão de alimentação: configuração das conexões elétricas dos terminais do
motor;
23
•
Tensão de ensaio: tensão nominal de alimentação aplicada ao motor, determinada
conforme o tipo de conexão elétrica dos terminais;
•
Código do motor: código alfa-numérico, único, que identifica os motores em função do
fabricante, modelo e sub-modelo;
•
Proprietário: nome da pessoa física ou jurídica, a quem pertence o motor;
•
Contato – proprietário: Endereço eletrônico, número de telefone ou celular, ou
identificação de qualquer outro meio de comunicação com o proprietário;
•
Número de série: Código de identificação do motor, expedido pelo fabricante;
•
Responsável técnico: Nome completo do responsável técnico pelo ensaio;
•
Informações extras: Quaisquer informações consideradas relevantes para posterior
compreensão dos resultados de ensaio.
3.2.2 Segunda etapa – Resistência média de linha, a frio (Seção 7 da NBR 5383-1:2002)
Nesta etapa são coletados os dados resultantes dos ensaios para determinação da resistência
média de linha do enrolamento do estator. Para a realização dessa etapa o motor deve estar em
equilíbrio térmico com o meio ambiente, este equilíbrio é de vital importância, pois a temperatura
ambiente será tomada como base, para a determinação da temperatura em outras etapas. Antes de
efetuar as medidas de tensão e corrente CC, é necessário escolher o método de determinação da
resistência.
Um teste adicional, não determinado pela norma, mas que não fere suas determinações é
realizado para verificar se é detectado um desequilíbrio entre as fases do motor. Este teste é
realizado nomeando os terminais de alimentação com as letras “a”, “b” e “c” e verificando se as
resistências
ab
R
,
bc
R
, e
ca
R
têm uma diferença superior a 1% em relação à média aritmética das
três. Caso contrário, utilizam-se os terminais que forneceram a resistência mais próxima da média
para efetuar as leituras que serão usadas para determinar a resistência média de linha. Uma
listagem dos procedimentos é apresentada a seguir:
•
Tomada da temperatura ambiente nos arredores do motor: temperatura do ar, medido por
sensores instalados nas proximidades do motor;
24
•
Escolha do método de determinação da resistência: o método de baixa resistência deve ser
utilizado para a faixa de resistências de 100
µΩ
a 5
Ω
e o método de alta resistência para a
faixa de 5
Ω
a 10 k
Ω
;
•
Resistência interna do voltímetro ou do amperímetro: a resistência interna do voltímetro é
utilizada no método de baixa resistência e a resistência interna do amperímetro no método
de alta resistência;
•
Amostras de resistências entre todos os terminais: determinação das resistências
ab
R
,
bc
R
,
e
ca
R
, pelo método de tensão e corrente;
•
Resistência média de linha: através do método de tensão e corrente efetuar de três a cinco
leituras de resistência nos terminais indicados pelo teste de verificação do desequilíbrio
entre as fases.
3.2.3 Terceira etapa – Rotor bloqueado (Seção 10 da NBR 5383-1:2002)
Nesta etapa será realizado um ensaio com o rotor bloqueado, para tanto, procedimentos de
segurança devem ser tomados no intuito de evitar injúrias ao pessoal do laboratório e danos aos
equipamentos. Antes do ensaio deve-se garantir que o eixo do motor está devidamente travado,
caso o travamento se dê por braço mecânico acoplado ao eixo, deve-se determinar o sentido de
rotação do motor para estabelecer a melhor forma e posição de acoplagem do braço. Caso o
travamento seja feito diretamente pelo dinamômetro é preciso saber se o mecanismo de
travamento e seus sensores de força suportarão o conjugado desenvolvido pelo motor.
Existem dois limites de tempo a serem respeitados nesse ensaio: o tempo máximo de rotor
bloqueado e o tempo limite para efetuar as leituras.
O tempo máximo de rotor bloqueado é definido pelo fabricante e define quanto tempo o
motor pode ser acionado com seu rotor bloqueado, sob tensão e freqüência nominais, sem sofrer
danos. Enquanto o tempo limite para efetuar as leituras é estabelecido pela norma e não deve ser
superior a cinco segundos.
Existem motores que suportam dezenas de segundos sob as condições requisitadas por este
ensaio, mas, por outro lado, existem motores que suportam menos que os cinco segundos
25
estipulados pela norma. Portanto, o motor deverá operar sob as condições exigidas neste ensaio
respeitando o menor desses limites e as leituras deverão ser efetuadas antes do término do menor
limite.
As leituras de tensão, corrente e conjugado devem ser efetuadas tão rápido quanto possível
e, para obter valores representativos, a temperatura do motor não deve exceder o valor da
temperatura nominal, acrescido de 40ºC. Um resumo dos procedimentos é descrito a seguir:
•
Leitura da tensão, corrente e conjugado: efetuar as leituras respeitando as condições
supracitadas;
•
Leitura da resistência do enrolamento: logo após a coleta dos dados deve-se aplicar o
método da tensão e corrente para se obter a resistência do enrolamento e então determinar
a temperatura final do enrolamento através do método de variação da resistência;
3.2.4 Quarta etapa – Elevação de temperatura (Seção 13 da NBR 5383-1:2002)
Nesta etapa um ensaio térmico é realizado para determinar a elevação de temperatura de
certas partes do motor, acima da temperatura ambiente e sob uma condição de carga especificada.
Este ensaio é realizado para averiguação dos limites de elevação de temperatura e cálculo do
rendimento. Neste caso deseja-se conhecer a temperatura dos enrolamentos do estator do motor
sob ensaio.
Neste ensaio o motor é acionado com tensão e carga nominais por tempo suficiente para
que os enrolamentos do motor atinjam o equilíbrio térmico. Para motores com fator de serviço
superior a 1 (um) o ensaio deve ser feito com carga correspondente a esse fator para verificar os
limites de elevação de temperatura da classe, exceto quando a elevação de temperatura, a uma
carga especificada, é parte da característica nominal do motor. No entanto, para a determinação
do rendimento, o ensaio deve ser realizado com fator de serviço igual a 1 (um).
Após atingir o equilíbrio térmico o motor deve ser desligado e parado rapidamente, para a
execução da leitura da resistência CC do enrolamento do estator, esta leitura será usada para
determinar a temperatura do estator após o ensaio térmico.
26
Caso a leitura ocorra dentro do intervalo de tempo definido na Tabela 3.3 apenas esta
bastará e será aceita como a medida de resistência CC para a determinação da temperatura do
estator. Caso contrário dez leituras extras, efetuadas em intervalos de 60 s, devem ser realizadas
para a determinação de uma curva de decaimento da resistência CC e em seguida esta curva deve
ser extrapolada para o intervalo de tempo da Tabela 3.3.
Tabela 3.3 – Período de tempo dentro do qual a primeira leitura da resistência deve ser adotada como medida
para determinar a temperatura (Tabela 1, da seção 13, da NBR 5383-1:2002)
Potência nominal Pn, do motor Intervalo de tempo após o desligamento (s)
Pn ≤ 37,5 kW Pn ≤ 50 cv
0 – 15
37,5 < Pn ≤ 150 kW
50 < Pn ≤ 200 cv
0 – 45
150 < Pn ≤ 5000 kW
200 < Pn ≤ 6800 cv
0 – 60
5000 kW < Pn 6800 cv < Pn Mediante acordo
Para a extrapolação da curva de decaimento da resistência CC para o intervalo de tempo da
Tabela 3.3 a norma recomenda a impressão dos pontos em um gráfico semi-logarítmico, com a
resistência no eixo logarítmico.
No entanto, de posse dos dados de resistência CC e dos instantes de amostragem, pode-se
determinar uma expressão do decaimento da resistência CC em função do tempo, através de um
ajuste de curvas por quadrados mínimos e então definir a resistência CC do estator dentro do
intervalo de tempo definido na Tabela 3.3. Um resumo dos procedimentos é descrito a seguir:
•
Leitura da resistência do enrolamento: efetuar a leitura, ou leituras, conforme o intervalo
de tempo gasto para efetuar a primeira leitura. O método de determinação da resistência
descrito no item 2.2.1, deve ser utilizado;
•
Determinar a temperatura final: de posse dos dados coletados, determinar a temperatura
do estator do motor sob ensaio segundo o método de determinação da temperatura
descrito no item 2.2.2. Quando necessário uma curva de decaimento da resistência CC em
função do tempo será determinada. Uma aproximação para esta curva é produzida por
uma equação determinada através do método dos mínimos quadrados, a partir das
resistências CC medidas.
27
3.2.5 Quinta etapa – Carga variável (Seção 15.4.2 da NBR 5383-1:2002)
O ensaio de carga variável consiste em aplicar ao motor diferentes níveis de carga que
correspondem a um percentual da carga nominal do motor. As cargas correspondem a 25%, 50%,
75%, 100% e mais dois níveis acima de 100%, mas não maiores que 150% da potência nominal
do motor. O motor deve ser alimentado por tensão e freqüência nominais, a carga deve decrescer
em intensidade, do maior para o menor nível de carga. Para cada nível de carga deve-se coletar
tensão, corrente, velocidade, conjugado e potência de entrada. Após o primeiro e último pontos,
deve-se medir a resistência de linha.
A validade desse ensaio depende da diferença verificada entre a primeira e segunda medida
de resistência de linha. A máxima diferença permitida para motores até 20 cv é de 3,5%, para
motores com potência superior a 20 cv a máxima diferença permitida é de 3,0%.
Esta etapa deve ser realizada logo após a quarta etapa, caso não seja possível deve-se deixar
o motor ligado com tensão e carga nominais, até que o mesmo atinja o equilíbrio térmico. Uma
listagem dos procedimentos é apresentada a seguir:
•
Leitura das grandezas elétricas e mecânicas, para cada ponto de carga: em cada um dos
seis pontos de carga, leituras de tensão, corrente, velocidade e conjugado são efetuados;
•
Leitura da resistência do enrolamento do estator: após o primeiro e o último pontos de
carga, deve-se efetuar uma leitura de resistência do enrolamento;
•
Verificar a validade do ensaio: de posse dos dois valores de resistência, medidas nessa
etapa, verifica-se o valor da diferença percentual entre ambas, caso a diferença respeite os
limites supracitados o ensaio é considerado válido;
•
Determinar a temperatura final: com os mesmos valores de resistências utilizados para
validar o ensaio, calcula-se a temperatura final do enrolamento, através do método de
variação da resistência.
28
3.2.6 Sexta etapa – Correção das perdas no dinamômetro (Seção 24.2 da NBR 5383-
1:2002)
Devido à perda por ventilação e atrito nos mancais do dinamômetro uma correção precisa
ser efetuada, nesta etapa alguns dos parâmetros necessários ao cálculo da correção serão
coletados. O último parâmetro necessário é a perda no núcleo, que é determinada na etapa
seguinte.
Esta etapa pode ser divida em duas partes:
•
A primeira é realizada com o dinamômetro acoplado ao motor. Os terminais do
dinamômetro devem ficar abertos e desconectados dos bancos de resistência e as
grandezas que devem ser coletadas são: tensão, corrente, velocidade e conjugado;
•
A segunda é realizada com o dinamômetro desacoplado do motor e as grandezas de
tensão e corrente são coletadas.
3.2.7 Sétima etapa – Motor a vazio (Seção 14.3 da NBR 5383-1:2002)
Nesta etapa o motor, alimentado por tensão e freqüência nominais, é acionado em vazio,
objetivando a determinação das perdas por atrito e ventilação e a perda no núcleo. Caso o
dinamômetro ainda esteja acoplado ao motor sob ensaio, deve-se desacoplá-lo, deixando o eixo
do motor totalmente livre. Antes de dar início à coleta de dados é necessário garantir que a
potência de entrada atinja a estabilização. Considera-se estável a potência de entrada, quando a
diferença percentual entre duas medidas consecutivas, efetuadas em um intervalo de 30 minutos,
não ultrapassar os 3%.
Em alguns motores com mancais lubrificados a graxa, a estabilização da potência de
entrada a vazio pode levar horas para ser atingida. Isso se deve a graxa que fica no caminho dos
rolamentos, que faz variar o atrito e, conseqüentemente, a potência de entrada.
Diversas leituras de tensão e corrente são efetuadas, o motor deve ser, inicialmente,
alimentado com uma tensão igual a 125% da nominal e em seguida a tensão deve sofrer
sucessivos decréscimos. Após cada decréscimo, com os sinais estáveis, leituras de tensão e
29
corrente devem ser gravadas e essa operação deve continuar até o momento em que um
decréscimo de tensão ocasione uma inversão da variação da corrente e esta aumente, ao invés de
diminuir.
Para a determinação das perdas por atrito e ventilação faz-se uso de um artifício para
extrapolar o valor de algumas grandezas além dos limites dos dados gravados. Os coeficientes de
uma expressão para uma reta são determinados pelo método dos mínimos quadrados, a partir dos
pares ordenados de
(
)
nW
, que é definido pela Equação 3.1, e
(
)
nT
2
, que corresponde ao
quadrado da tensão para a amostra “n”.
(
)
(
)
(
)
MedE
RnInPnW
2
−=
(3.1)
Sendo:
(
)
nW
-
Diferença entre a potência de entrada e a perda por Efeito Joule, na amostra n (W)
(
)
nP
E
-
Potência de entrada, para a amostra n (W)
(
)
nI
-
Corrente, para a amostra n (A)
Med
R
-
Média das resistências determinadas nesta etapa (
Ω
)
A relação entre os valores de
(
)
nW
e
(
)
nT
2
é linear. Com os coeficientes determinados,
basta substituí-los na Equação 3.2 e extrapolar o valor de
(
)
2
TW
para uma tensão igual a zero,
esse valor de
(
)
2
TW
corresponderá às perdas por atrito e ventilação.
Sendo:
(
)
2
TW
-
Diferença entre a potência de entrada e a perda por Efeito Joule, em função do
quadrado da tensão T (W)
0
a
-
Coeficiente de ordem 0 (zero) de uma equação de reta
(
)
2
10
2
.TaaTW +=
(3.2)
30
1
a
-
Coeficiente de ordem 1 (um) de uma equação de reta
2
T
-
Quadrado da tensão (V²)
Nota-se que ao atribuir zero para a variável
2
T
, somente restará o coeficiente
0
a
na
expressão, portanto, depois de se determinar os coeficientes pelo método dos mínimos quadrados
basta atribuir ao valor das perdas por atrito e ventilação (
AV
P
) o valor de
0
a
.
A perda no núcleo, Equação 3.3, é o resultado da subtração da perda por atrito e ventilação
das perdas a vazio.
AVVN
PPP −=
(3.3)
Sendo:
N
P
-
Perda no núcleo;
V
P
-
Perda a vazio;
AV
P
-
Perdas por atrito e ventilação.
De posse dos parâmetros obtidos na sexta etapa e da perda no núcleo é possível calcular a
correção devido à perda por ventilação e atrito nos mancais do dinamômetro, através das
Equações 3.4, 3.5 e 3.6.
(
)
12
C
n
WW
KC
BA
CD
−
−
=
(3.4)
(
)
(
)
111
1. SWWPW
hA
−−−=
(3.5)
(
)
hB
WWPW −−=
00
(3.6)
Sendo:
C
CD
- Correção para o conjugado do dinamômetro.
P
1
- Potência de entrada requerida para acionar o motor quando acoplado ao dinamômetro
com o circuito da armadura do dinamômetro aberto (W).
31
W
1
- Perda por efeito joule no estator, com dinamômetro acoplado (W).
S
1
- Escorregamento, em pu, com dinamômetro acoplado.
C
1
- Conjugado de saída, com o dinamômetro acoplado(N.m).
P
0
- Potência de entrada requerida para acionar o motor com o eixo do motor livre (W).
W
0
- Perda por efeito joule no estator, com o eixo do motor livre (W).
W
h
- Perda no núcleo (W).
n - Velocidade (rpm).
K
2
- Constante equivalente a 9,549 para conjugado em N.m.
Segue uma listagem dos procedimentos a serem efetuados nessa etapa:
•
Leitura da resistência do enrolamento do estator: após a estabilização da potência de
entrada, parar o motor completamente e efetuar a leitura da resistência do enrolamento do
estator;
•
Leitura das grandezas elétricas de tensão e corrente: tendo como ponto de partida uma
tensão de 125% da nominal, efetuar leituras de tensão e corrente para cada ponto e em
seguida diminuir a tensão, repetir esse processo até que a corrente aumente;
•
Leitura da resistência do enrolamento do estator: após a última leitura de tensão e
corrente, parar o motor completamente e efetuar a leitura da resistência do enrolamento
do estator;
•
Cálculos: determinação da resistência média, perdas por atrito e ventilação, perdas no
núcleo e correção para conjugado do dinamômetro.
3.2.8 Oitava etapa – Resultados (Seções 14.1, 15.4.2, 24.2 da NBR 5383-1:2002)
Nesta etapa todos os procedimentos de coleta de dados foram concluídos e com os dados
obtidos são calculados os valores de perdas, perdas corrigidas, potência de saída, potência de
saída corrigida e rendimento para todos os pontos de carga do ensaio de carga variável.
32
3.2.8.1 Conjugado corrigido
O conjugado corrigido é obtido somando-se ao conjugado medido, a correção do conjugado
(Equação 3.7). A potência de saída corresponde a potência mecânica útil entregue pelo motor e é
calculada através da Equação 3.8.
CCC
CDCOR
+=
(3.7)
2
.
K
VC
P
COR
S
=
(3.8)
Sendo:
P
S
-
Potência de saída (W)
C
COR
-
Conjugado corrigido (N.m)
V -
Velocidade (rpm)
C -
Conjugado medido
3.2.8.2 Potência dissipada por efeito joule
A potência total dissipada no motor por aquecimento devido ao efeito joule, é
classicamente calculada como na Equação 3.9, onde cada i-ésimo produto corresponde à potência
dissipada em cada i-ésima bobina do estator. Para cada produto a resistência da bobina
correspondente e a corrente que por ela circula devem ser conhecidas.
∑
=
=
n
i
iiEJC
RIP
1
2
.
(3.9)
Sendo:
33
P
EJC
-
potência total dissipada por efeito joule (W), cálculo clássico
I
i
-
i-ésima corrente na bobina (A)
R
i
-
i-ésima resistência da bobina (Ω)
Este método consumiria muito tempo e em alguns casos exigiria a abertura do motor para a
medição da resistência das bobinas, qualquer um dos casos é indesejável por aumentar o tempo
de ensaio, sua complexidade e impossibilitar a determinação da potência dissipada nos casos
onde o motor não possa ser desmontado. Para transpor esse problema a norma sugere a
determinação da potência total dissipada no motor por aquecimento devido a efeito joule através
da Equação 3.10, cuja demonstração é apresentada no Apêndice C.
RIP
TEJ
..5,1
2
=
(3.10)
Sendo:
P
TEJ
-
potência total dissipada por efeito joule (W)
I
-
corrente de linha (A)
R
-
resistência de linha (Ω)
3.2.8.3 Perda total aparente
A perda total aparente corresponde à diferença entre a potência de entrada e a potência de
saída, esta já calculada com o conjugado de saída corrigido.
SETA
PPP −=
(3.11)
Sendo:
P
TA
-
Perda Total Aparente (W)
P
E
-
Potência de entrada (W)
34
3.2.8.4 Perda suplementar
Perdas adicionais no ferro e em outras partes metálicas, exceto os condutores, introduzidas
pela carga e perdas nos condutores dos enrolamentos do motor causadas por correntes parasitas
dependentes da pulsação do fluxo, são denominadas perdas suplementares e são calculadas pela
Equação 3.12.
CVTASUP
PPP −=
(3.12)
Sendo:
P
SUP
-
perda suplementar (W)
P
CV
-
perdas convencionais (W)
A perda suplementar corrigida é obtida através do método de regressão linear aplicado aos
seis pontos de carga obtidos no ensaio de carga variável.
2
ATP
SUPCOR
=
(3.13)
Sendo:
P
SUPCOR
-
perda suplementar corrigida
A -
inclinação da reta, obtida pelo método de regressão linear
T -
conjugado de saída
3.2.8.5 Potência de saída corrigida
A potência de saída corrigida (Equação 3.14) corresponde à diferença entre a potência de
entrada e o somatório das perdas calculadas. Quando houver uma perda corrigida esta deve ser
usada em detrimento à perda sem correção.
35
SUPCOREJTFAVNESCOR
PPPPPP −−−−=
(3.14)
Sendo:
P
SCOR
-
potência de saída corrigida (W)
P
N
-
perda no núcleo (W)
P
AV
-
perdas por atrito e ventilação (W)
P
EJTF
-
perda no enrolamento do estator corrigida para a temperatura final (W)
3.2.8.6 Rendimento
O rendimento (Equação 3.15) é determinado através da razão entre a potência ativa de
entrada e a potência de saída corrigida.
E
SCOR
P
P
=Ren
(3.15)
Sendo:
Ren
-
Rendimento
3.3 Considerações finais
Neste capítulo foi exposta a metodologia resultante do estudo das capacidades do
LABMETRO e das prescrições da NBR 5383.
O LABMETRO foi concebido com a intenção de apoiar pesquisas desenvolvidas na Escola
de Engenharia Elétrica de Computação – UFG e atender quaisquer interessados em submeter seus
motores de indução trifásicos a ensaios para obtenção de dados que indiquem o estado de
36
funcionamento dos mesmos. Para o último caso uma metodologia alicerçada em normas
nacionais é obrigatória, pois assim é determinado por lei (Art. 39 do Código de defesa do
consumidor).
A metodologia foi dividida em etapas e cada etapa tem seus procedimentos e as tolerâncias
dos dados obtidos descritos.
O capítulo seguinte expõe o desenvolvimento do programa para aquisição, processamento e
armazenamento de dados com o auxílio de um guia virtual automatizado.
37
4 DESENVOLVIMENTO DO PROGRAMA
A automatização consiste no desenvolvimento, baseado na metodologia descrita no
Capítulo 3, de um programa de computador que auxiliará o usuário na realização dos
procedimentos de ensaio. Este programa indicará se os dados de entrada e resultados obtidos
estão em conformidade com a norma, automatizará o processo de cálculo, armazenagem de
dados, verificação de conformidade e emissão de relatório padronizado.
Isto permitirá ao operador direcionar sua atenção às atividades que requeiram ponderação e
capacidade de tomar decisões, poupando-o de operações repetitivas e enfadonhas, embora
importantes por exigirem atenção e precisão.
O programa foi escrito na linguagem de programação Object Pascal, sob o ambiente de
desenvolvimento Delphi
®
6.0 e consistiu na sistematização da metodologia apresentada no
Capítulo 3 de forma que proporcione uma interface entre os equipamentos de medição,
computador e usuário.
O Delphi
®
6.0 é uma ferramenta de desenvolvimento rápido de aplicações, possui um
rápido compilador que traduz a linguagem de alto nível do Object Pascal em código de máquina,
proporcionando melhor performance e proteção do código fonte. Ele também é extensível, pois
permite que componentes e ferramentas criados por terceiros sejam integrados ao seu ambiente
de desenvolvimento.
O banco de dados, responsável por armazenar os dados gerados pelos ensaios, é o Firebird
1.5, totalmente compatível com o SQL (Structured Query Language). O Firebird apresenta
propriedades como 64 TeraBytes de capacidade máxima de armazenamento, alta velocidade de
acesso, organização, busca de dados por filtragem de registros através de palavras chaves,
diminuição da redundância de dados através de tabelas relacionais (THE FIREBIRDSQL
FOUNDATION, 2007). Além disso, o Firebird é distribuído sob IPL (InterBase Public
Lincense), totalmente gratuito (CODEGEAR, 2007).
O analisador de energia utilizado é um instrumento programável, em conformidade com a
SCPI Versão 1999.0 (SCPI CONSORTIUM, 1999), que permite a alteração de suas
configurações e leitura de sua memória interna remotamente, no entanto todos os comandos
utilizados para controlar o instrumento foram extraídos de seu manual de controle remoto (LEM,
2006). A SCPI estabelece regras para a estrutura e sintaxe das mensagens do instrumento, há
38
comandos comuns a diversos instrumentos e comandos específicos. Neste trabalho os comandos
específicos foram os mais utilizados por serem estes os responsáveis pelo controle de fluxo de
dados e configurações necessárias à automatização dos ensaios.
4.1 Características do código fonte
Para assegurar a precisão dos cálculos efetuados são utilizadas variáveis da categoria
Extended, este tipo de variável pode representar números Reais positivos ou negativos, dentro da
faixa de 3,6 E-4951 a 1,1 E4932, com até 20 caracteres significativos.
Os dados recebidos do analisador de energia são temporariamente guardados em variáveis
do tipo String, este tipo de variável armazena uma seqüência de caracteres e seu tamanho pode
variar de 4 Bytes até 2 GBytes. O Delphi
®
6.0 mantém compatibilidade com o padrão ANSI
(American National Standards Institute) e UNICODE.
Vetores dinâmicos guardam, temporariamente, valores de entrada que serão utilizados em
diversos cálculos ou procedimentos e seus resultados. Tais vetores são muito utilizados, pois seria
pouco prático criar uma variável para cada valor de entrada ou resultado obtido, um vetor
dinâmico pode ter seu tamanho modificado conforme a necessidade do programa, armazenando
um grande número de dados.
4.1.1 Organização e documentação do código fonte
A compreensão futura do código fonte por outros programadores, que desejem efetuar
alterações, sejam elas correções, adequações ou expansões, dependem de sua organização e
documentação.
A organização do código fonte consistiu em seu arranjo lógico e estético, procurando
proporcionar uma leitura agradável e objetiva do código. Um exemplo da estética do código pode
ser visto na Figura 4.1.
39
Figura 4.1 – Trecho de código, exemplificando o arranjo estético do código.
A estética consiste no alinhamento das linhas de comandos no interior dos blocos de código
e das estruturas de código que delimitam os blocos. A preocupação com a estética do código
fonte não reside meramente em embelezamento, mas na melhora de sua visualização, tal melhora
se faz imprescindível, pois diferente do pequeno trecho apresentado na Figura 4.1 o código fonte
de um programa pode atingir um grande número de linhas e algumas partes desse programa
atingem a ordem de milhares de linhas.
A organização visa o agrupamento de códigos correlacionados, em um mesmo conjunto de
procedimentos e separados por estruturas inertes, que delimitam o início e o fim de cada
conjunto, um exemplo pode ser visto na Figura 4.2, onde se pode visualizar o início e o fim do
conjunto “PASSO 01”, delimitado pelas estruturas inertes. Quando necessário podem existir
subdivisões no interior dos conjuntos, como aquela na Figura 4.2, delimitada pela estrutura inerte
que tem os dizeres “Campo código do ensaio”. Tal organização facilitará a compreensão dos
conjuntos de procedimentos por estarem próximos e a localização por estarem separados pela
sinalização das estruturas inertes. Quaisquer caracteres precedidos por duas barras inclinadas para
direita, tornam-se inertes para o código.
40
Figura 4.2 – Trechos do código exemplificando o agrupamento de trechos correlacionados e separados por
estruturas inertes
A utilidade da documentação do código fonte é a de explicitar a função de conjuntos
completos de procedimentos, pequenos trechos de código e de variáveis que estejam sendo
utilizadas. Um exemplo pode ser visualizado na Figura 4.3.
Figura 4.3 – Trecho do código exemplificando sua documentação.
41
4.2 Parâmetros do analisador de energia
O analisador de energia é um instrumento programável e as instruções necessárias para o
ajuste de seus parâmetros foram embutidas no código do programa, a transmissão destes
comandos se dá automaticamente sempre que necessário, sem a possibilidade de intervenção do
usuário. As medições de grandezas elétricas ou mecânicas são requisitadas ao analisador de
energia de duas maneiras diferentes, resultando em dois tipos de dados:
• Valores médios ou eficazes, de grandezas elétricas ou mecânicas ou ambas;
• Conjuntos de pontos oriundos de leituras de grandezas elétricas ou mecânicas ou ambas.
Neste trabalho, no intuito de facilitar a identificação e diferenciar os dados do primeiro e do
segundo tipo, aqueles do primeiro tipo serão denominados “voláteis” e os do segundo tipo de
“amostrados”. O método para obtenção dos dados voláteis será denominado “método
representativo” e o para obtenção dos dados amostrados será denominado “método de forma de
onda”.
Dados voláteis são valores médios ou eficazes e são temporários e representativos,
utilizados para verificação do estado das grandezas monitoradas e são, em seguida, descartados.
Este primeiro tipo de dado é resultado de cálculos realizados pelo analisador de energia sobre as
grandezas mensuradas. Estes cálculos são realizados segundo uma metodologia proprietária e
fechada sobre as grandezas mensuradas.
Dados amostrados são conjuntos de pontos formados por amostras das formas de ondas das
grandezas mensuradas, é utilizado para a determinação direta de valores eficazes ou médios das
grandezas elétricas ou mecânicas (tensão, corrente, velocidade e conjugado) e derivadas
(potência de entrada, potência de saída, perdas, escorregamento, etc).
O processamento dos dados amostrados se dá através de algoritmos desenvolvidos a partir
de fundamentos matemáticos e de engenharia e o mesmo conjunto de pontos pode ser utilizado
para a representação gráfica das formas de onda capturadas. Os valores determinados a partir
desses conjuntos de pontos correspondem aos resultados procurados em cada etapa da
metodologia de ensaio.
42
Os parâmetros utilizados para a obtenção e transmissão dos conjuntos de pontos são os
mesmos para todas as leituras e são apresentados na Tabela 4.1.
Tabela 4.1 – Parâmetros ajustados no analisador de energia
Período de gravação
Freqüência de
amostragem
Velocidade de
transmissão dos dados
Caracteres significativos
83,5 ms
1
7,93 kHz 115200 Bauds Até oito
Os comandos que determinam quais grandezas serão mensuradas e qual método de
obtenção dos dados será utilizado estão embutidos no código do programa e não podem ser
modificados pelo operador. A Tabela 4.2 lista as grandezas mensuradas pelos dois métodos
citados anteriormente e suas características em cada um dos casos.
Tabela 4.2 – Grandezas mensuradas e suas características
Grandeza Unidade Tipo Quantidade de dados Observações
Dados amostrados
Tensão V 3 x 661
Corrente A 3 x 661
Tensão e corrente trifásicas
Conjugado N.m 1 x 661
Velocidade rpm
Conjuntos de
pontos com
intervalo de
amostragem
regular e
conhecido
1 x 661
Total:
5288
Apenas um motor por vez pode ser
ensaiado
Dados voláteis
Tensão V 1
Corrente A
Valor eficaz
1
Conjugado N.m 1
Velocidade rpm
Valor médio
1
Total:
4
Calculado pelo analisador de
energia, método desconhecido
Portanto, sempre que o operador requisitar dados amostrados, conjuntos de pontos como
descritos na Tabela 4.2 serão transmitidas do analisador de energia para o computador, de acordo
com os parâmetros apresentados na Tabela 4.1. Dados amostrados somente são requisitados por
intervenção do operador, quando este inferir que as grandezas monitoradas atingiram um estado
de equilíbrio.
1
Aproximadamente cinco períodos de onda senoidal de 60 Hz.
43
4.3 A estrutura do programa
O programa foi construído em módulos, cada módulo se caracteriza por uma função
principal, buscando realizar suas tarefas de modo independente e interagindo com os outros
módulos através de troca de dados. Dessa maneira, quando necessário, novos módulos podem ser
desenvolvidos e utilizados com poucas alterações no código fonte. Os módulos desenvolvidos
são:
• Módulo de Cadastros: Possibilita a entrada dos dados de placa e outras informações sobre
os motores a serem ensaiados no banco de dados;
• Módulo de Comunicações: Gerencia a recepção e acondicionamento dos dados que foram
capturados pelo analisador de energia e estão armazenados em sua memória interna;
• Módulo de Funções: Efetua operações matemáticas comuns a vários procedimentos do
programa e operações de verificação de erros de sintaxe para dados de entrada manual;
• Módulo de Ensaios: Auxilia o operador durante os procedimentos de ensaio, após a
conclusão de cada etapa do ensaio os dados são guardados no banco de dados.
4.3.1 Módulo de Cadastros
Este módulo permite cadastrar no banco de dados, informações sobre os motores a serem
ensaiados, essas informações podem ser classificadas como de fornecimento obrigatório ou
opcional.
Dentre as informações de fornecimento obrigatório está o código IMFaC (Indentificação do
Motor por Fabricante e Características), um código único, que identificará os motores por
fabricante e modelo. Esse código se faz necessário, pois cada fabricante pode adotar um tipo de
identificação diferente e em certos casos causar repetições de códigos para motores diferentes.
Sem o IMFaC é impossível efetuar os procedimentos do módulo de ensaios.
44
O cadastro só poderá ser finalizado se todas as informações obrigatórias forem fornecidas e
o código de cadastro do motor for válido, sem um código válido não é possível realizar os
ensaios.
Depois de guardadas no banco de dados essas informações podem ser reutilizadas caso o
mesmo motor precise ser ensaiado novamente, ou outro motor do mesmo fabricante com as
mesmas características venha a ser ensaiado. Esse atributo proporcionará ganho de tempo quando
muitos motores estiverem cadastrados no banco de dados e economia de espaço no banco de
dados ao evitar a redundância de informações sobre um motor de mesmo modelo e características
técnicas em diferentes registros de ensaios, isto será mais detalhado na seção 4.4, que trata da
estrutura do banco de dados.
As informações classificadas como de fornecimento obrigatório são listadas a seguir e
podem ser vistas na Figura 4.4 com um asterisco à esquerda de seus nomes:
• Velocidade síncrona (rpm);
• Potência (cv ou kW);
• Tempo máximo de rotor bloqueado (s);
• Elevação de temperatura (K);
• Código IMFaC.
45
Figura 4.4 – Tela do módulo de cadastro de motores de indução trifásicos.
4.3.2 Módulo de Comunicações
Este módulo é responsável por receber e acondicionar os dados requisitados ao analisador
de energia. Depois de serem transmitidos pelo analisador em formato texto sob o padrão ASCII
(American Standard Code for Information Interchange), os dados são recebidos pelo programa e
acumulados em uma variável temporária, em seguida são enviados para o Módulo de Funções
para adequação da expressão numérica. Finalizado o processo de adequação os dados são
devolvidos ao Módulo de Comunicações onde são convertidos para números de vírgula flutuante
do tipo Extended e inseridos em vetores que serão utilizados por outros módulos.
Podem-se requisitar dados voláteis ou dados amostrados, no primeiro caso, devido à
pequena quantidade, os dados são requisitados em curtos intervalos de tempo, conforme a
necessidade de cada etapa, com a finalidade de monitoração de grandezas. Portanto, os valores
exibidos em painéis, que servem a esse propósito, tem suas informações atualizadas com um
pequeno retardo, pois o programa deve enviar os comandos ao analisador de energia, este
46
consome algum tempo para executá-los e, finalmente, transmitir os dados. No entanto, este
retardo é desprezível.
No segundo caso os dados são requisitados e integralmente gravados na memória do
analisador de energia e depois de um curto intervalo de tempo tem início a transmissão de dados.
Assim como no primeiro caso, algum tempo é consumido para que o analisador de energia
execute os comandos recebidos e por esse motivo há um intervalo de tempo entre a requisição
dos dados e o início da transmissão, esse intervalo é um pouco maior, pois são requisitados cinco
períodos de onda de 60 Hz. O tempo de transmissão, por outro lado, aumenta significativamente,
pois agora o analisador transmitirá uma quantidade de dados muito superior, veja Tabela 4.2
(página 42).
Um fluxograma simplificado do algoritmo do módulo de comunicação pode ser visualizado
na Figura 4.5, este fluxograma não tem como propósito refletir com exatidão a estrutura do
código fonte, responsável pela comunicação entre o analisador de energia e o microcomputador,
mas de facilitar a compreensão do funcionamento do módulo de comunicações.
47
Figura 4.5 – Fluxograma simplificado do módulo de comunicações.
Os vetores mostrados no fluxograma são criados previamente e consistem em dois tipos:
• O primeiro é utilizado para reter provisoriamente os dados utilizados para verificação das
grandezas elétricas e mecânicas que são os valores calculados pelo analisador de energia,
estes valores são transmitidos ao Módulo de Ensaios, são exibidos para o usuário e em
seguida descartados;
48
• O segundo é utilizado para reter provisoriamente os dados, que por decisão do operador
foram requisitados, e serão utilizados nos procedimentos e salvos no banco de dados.
4.3.3 Módulo Repositório
Este módulo é um repositório de procedimentos que são utilizados por um ou mais módulos
ou que são freqüentemente utilizados, evitando a repetição de trechos de códigos, permitindo sua
reutilização através de chamadas a esse módulo. Aqui, um procedimento deve ser entendido
como um algoritmo genérico, que pode atender as necessidades de um ou mais procedimentos do
programa e que tem uma entrada e uma saída de dados definida.
A utilização desse repositório traz vantagens como permitir a adição de procedimentos
alternativos para a execução de uma mesma tarefa e modificação de vários procedimentos que
utilizam um algoritmo armazenado no Módulo Repositório.
A vantagem de poder adicionar procedimentos alternativos reside na liberdade de escolher
soluções diferentes da solução padrão, permitindo uma melhora da resposta desejada. A
modificação de vários procedimentos através da modificação de apenas um algoritmo é possível
por existirem vários procedimentos que acessam um único algoritmo, alterando esse algoritmo
alteram-se todos os procedimentos que o acessam, logo, correções, melhorias e muitas outras
modificações só precisam ser realizadas uma única vez.
Na Tabela 4.3 é possível visualizar os procedimentos desenvolvidos, acompanhados de
uma breve descrição.
49
Tabela 4.3 – Funções desenvolvidas e uma descrição abreviada
Item Função Descrição
01 Verifica dados
Verifica a sintaxe de dados de entrada manuais e retorna um aviso caso uma
incongruência seja encontrada
02 Formata dados
Ajusta a sintaxe dos dados enviados do analisador para o formato utilizado
pelo programa
03 Valor médio Calcular o valor médio de um conjunto de pontos
04 Valor eficaz Calcula o valor eficaz de um conjunto de pontos
05 Somatório SX
Calcula o somatório dos elementos do vetor X
[
]
(
)
∑
i
x
06 Somatório SX2
Calcula o somatório dos elementos ao quadrado vetor X
[
]
(
)
∑
2
i
x
07 Somatório SX3
Calcula o somatório dos elementos ao cubo do vetor X
[
]
(
)
∑
3
i
x
08 Somatório SX4
Calcula o somatório dos elementos à quarta do vetor X
[
]
(
)
∑
4
i
x
09 Somatório SY
Calcula o somatório dos elementos do vetor Y
[
]
(
)
∑
i
y
10 Somatório SXY
Calcula o somatório dos produtos entre os elementos de X e Y
[
]
(
)
∑
ii
yx .
11 Somatório SX2Y
Calcula o somatório dos produtos dos elementos ao quadrado de X pelos
elementos de Y
[
]
(
)
∑
ii
yx .
2
12 Calcula a
0
da Parábola
Calcula o termo a
0
da equação:
(
)
01
2
2
.. axaxaxf ++=
13 Calcula a
1
da Parábola
Calcula o termo a
1
da equação:
(
)
01
2
2
.. axaxaxf ++=
14 Calcula a
2
da Parábola
Calcula o termo a
2
da equação:
(
)
01
2
2
.. axaxaxf ++=
15 Calcula a
0
da Reta
Calcula o termo a
0
da equação:
(
)
01
. axaxf +=
16 Calcula a
1
da Reta
Calcula o termo a
1
da equação:
(
)
01
.
axaxf +=
4.3.3.1 Verificação de dados
Essa função verifica todos os dados inseridos manualmente, evitando que valores
numéricos digitados incorretamente afetem o funcionamento do programa. Tal verificação
procura por erros de sintaxe e emite um alerta quando um erro é encontrado. Alguns exemplos de
erros que esta função pode detectar são listados na Tabela 4.4.
50
Tabela 4.4 – Exemplos de erros de digitação, suas descrições e seu formato correto
Erro Descrição Forma correta
1,,23 ou 1,2,3 Mais de uma vírgula no valor numérico 1,23
1,2e,3 Presença de vírgula após o símbolo “e” que representa a base 10 1,2e3
1-,2 ou 1,2e3-4
Presença do sinal de negativo “-” no meio do valor numérico ou no
meio do valor da base 10
-1,2 ou 1,2e-34
4.3.3.2 Ajuste da sintaxe
No Brasil e em outros países convencionou-se que o símbolo que indica a separação entre a
parte inteira e a parte decimal de um número real é a vírgula, no entanto, nem todos os países
seguem essa convenção, sendo normal encontrar aparelhos de medição que usam o ponto como o
símbolo de separação. O analisador de energia utilizado nesse trabalho usa o ponto como símbolo
separador entre inteiros e reais e ainda utiliza a vírgula como separador entre as amostras.
Por esse motivo uma função que ajusta os dados enviados pelo analisador de energia foi
desenvolvida. Essa função substitui os pontos por vírgulas e as vírgulas por espaços em branco,
de forma que os dados possam ser reconhecidos corretamente pelo programa. Um exemplo é
apresentado na Figura 4.6.
Figura 4.6 – Exemplo de ajuste da sintaxe dos dados enviados pelo analisador de energia.
4.3.3.3 Cálculo do valor médio e eficaz
O valor médio é obtido através do produto da integral da função desejada, num período
conhecido, pelo inverso deste período, como na Equação 4.1. No entanto os dados representados
por esta função são conjuntos de pontos de grandezas elétricas e mecânicas transmitidas pelo
51
analisador de energia ao programa. O intervalo de tempo entre cada amostra é conhecido, assim
como o período de tempo.
Portanto, um método numérico é empregado para determinar o valor da integral e devido
à natureza dos dados e a simplicidade do método, elegeu-se o método dos trapézios para
determinar o valor da integral. A Equação 4.2 é o resultado da aplicação do método dos trapézios
na Equação 4.1.
( )
∫
= dttf
P
V
M
1
(4.1)
Sendo:
M
V
-
Valor médio da função
(
)
tf
-
Função, da qual, se deseja obter o valor médio
P
-
Período analisado
(
)
(
)
[
]
∑
=
∆−+
−∆
=
n
x
M
txFxF
nt
V
2
2
1
)1(
1
(4.2)
Sendo:
(
)
xF
-
Valores das amostras da grandeza, da qual, se deseja obter o valor médio
t
∆
-
Intervalo de tempo entre cada amostragem
)1(
−
∆
nt
-
Período correspondente ao número de pontos do conjunto
Algumas operações necessitam do valor eficaz de certas grandezas, que podem ser obtidos
através da Equação 4.3 e com o mesmo raciocínio empregado anteriormente é possível obter a
expressão que fornece o valor eficaz de um determinado conjunto de pontos. O mesmo método
numérico, empregado anteriormente, é utilizado e o resultado pode ser visto na Equação 4.4.
( )
∫
= dttf
P
V
E
2
1
(4.3)
52
Sendo:
E
V
-
Valor eficaz da função
(
)
tf
-
Função, da qual, se deseja obter o valor eficaz
P
-
Período analisado
( ) ( )
[
]
∑
=
=
∆−+
−∆
=
nx
x
E
txFxF
nt
V
2
22
2
1
)1.(
1
(4.4)
Sendo:
(
)
xF
-
Valores das amostras da grandeza, das quais, se deseja obter o valor eficaz
t
∆
-
Intervalo de tempo entre cada amostragem
)1(
−
∆
nt
-
Período correspondente ao número de pontos do conjunto
4.3.3.4 Método dos mínimos quadrados
A partir do quinto até o último item da Tabela 4.3 (página 49), são apresentados
procedimentos que compõe o método de mínimos quadrados utilizado para determinar os
coeficientes de algumas funções, utilizando pares ordenados oriundos de dados amostrados.
Para se determinar os coeficientes de uma reta, o método de mínimos quadrados consiste,
basicamente, na resolução do seguinte sistema (DALMOLIN, 2002):
SXYSXaSXa
SYSXaNa
=+
=+
2
10
10
(4.5)
Reescrevendo-se esse sistema na forma matricial, tem-se:
53
=
SXY
SY
a
a
SXSX
SXN
1
0
2
(4.6)
Para isolar os coeficientes, basta multiplicar os dois lados da Equação 4.6 pela inversa da
matriz 4x4 do membro esquerdo dessa equação, obtendo-se a Equação 4.7 e após uma
simplificação a Equação 4.8.
( ) ( )
( ) ( )
−
+
=
22
22
1
0
2 SX-N SX2
SX
SY -
SX-N SX2
SX
SXY -
SX-N SX2
SX2
SY
SXSXN
N
SXY
a
a
(4.7)
(
)
( )
( )
( )
+−
−
=
2
2
1
0
SX-N SX2
SX-N SX2
2
SXYNSYSX
SXYSXSYSX
a
a
(4.8)
Cada um desses somatórios corresponde a um procedimento armazenado no módulo
repositório, assim como os procedimentos que determinam os coeficientes.
4.3.4 Módulo de Ensaios
O desenvolvimento deste módulo persegue dois objetivos básicos, agrupar em um único
lugar as ferramentas necessárias para a coleta e processamento dos dados oriundos dos
procedimentos de ensaio, tanto para dados de entrada manual quanto aqueles descarregados da
memória do analisador de energia como:
• Embutir em todos os campos de entrada manual de dados os algoritmos que verificam a
sintaxe dos dados digitados;
• Efetuar a comunicação com o analisador de energia, enviando comandos ou recebendo
dados;
54
• Efetuar todos os cálculos necessários com o pressionar de um botão, sob os termos da
norma;
• Salvar os dados coletados e os resultados obtidos;
• Imprimir um relatório padronizado.
O segundo objetivo é o de orientar o operador dentro dos procedimentos de ensaio,
efetuando tarefas como:
• Indicar as tarefas a serem cumpridas e as tarefas cumpridas;
• Emitir avisos de não conformidade dos dados coletados em relação à norma;
• Emitir avisos de resultados não conformes com a norma;
• Emitir alertas de perigo.
Seguindo a metodologia adotada, o programa foi também dividido em etapas, onde cada
etapa corresponde a uma tela do programa, uma nova tela só pode ser apresentada quando todos
os procedimentos da etapa anterior foram completados. É possível acessar as telas anteriores, mas
não é permitido alterar os valores salvos.
Durante a realização de alguns ensaios o operador deve verificar se determinadas
grandezas, monitoradas durante o ensaio, encontram-se sob regime permanente, esta verificação é
efetuada observando-se a variação dos valores eficazes ou médios destas grandezas.
Quando se trata de tensão, corrente e potência de entrada deve-se observar os valores
eficazes, quando se trata de conjugado e velocidade deve-se observar os seus valores médios.
Estes valores são calculados pelo analisador de energia e entregue ao programa.
A Figura 4.7 apresenta um fluxograma simplificado do funcionamento deste módulo que é
responsável pela orientação dos ensaios, aquisição, processamento e gravação dos dados obtidos.
Este fluxograma não tem como propósito refletir com exatidão a estrutura do código fonte do
módulo de ensaios, mas de facilitar a compreensão do funcionamento do módulo de ensaios.
55
Figura 4.7 – Fluxograma simplificado do funcionamento geral do módulo de ensaios.
56
4.3.4.1 Adequação dos dados amostrados
Devido à característica do analisador de energia em efetuar somente leituras de tensão de
fase, como explicado no item 2.3.4, os dados amostrados de tensão não podem ser diretamente
utilizados para se obter a tensão eficaz de linha, requisitando modificações por operações
matemáticas.
Cada requisição de dados amostrados de tensão resulta em três conjuntos de pontos com
amostras de tensão de fase, estes conjuntos serão acondicionados em vetores, que serão
denominados Va(x), Vb(x) e Vc(x). A obtenção dos vetores Vab(x), Vbc(x) e Vca(x), que
guardam os valores instantâneos da tensão de linha, se dá pela diferença entre os vetores de fase,
da seguinte maneira:
(
)
(
)
(
)
xVbxVaxVab
−=
(4.9)
(
)
(
)
(
)
xVcxVbxVbc −=
(4.10)
(
)
(
)
(
)
xVaxVcxVca −=
(4.11)
Sendo:
(
)
xVab
-
Vetor tensão de linha instantânea entre as fases ‘a’ e ‘b’
(
)
xVbc
-
Vetor tensão de linha instantânea entre as fases ‘b’ e ‘c’
(
)
xVca
-
Vetor tensão de linha instantânea entre as fases ‘c’ e ‘a’
(
)
xVa
-
Vetor tensão instantânea da fase ‘a’
(
)
xVb
-
Vetor tensão instantânea da fase ‘b’
(
)
xVc
-
Vetor tensão instantânea da fase ‘c’
Depois de que os dados amostrados de tensão foram modificados e acondicionados nos
vetores de tensão de linha instantânea, estes podem ser utilizados para calcular o valor médio da
tensão de linha eficaz.
Um vetor de potência instantânea é determinado para cada fase, através do produto escalar
entre tensão e corrente instantânea da mesma amostragem, da seguinte maneira:
57
(
)
(
)
(
)
xIaxVaxPa .=
(4.12)
(
)
(
)
(
)
xIbxVbxPb .=
(4.13)
(
)
(
)
(
)
xIcxVcxPc
.=
(4.14)
Sendo:
(
)
xPa
-
Vetor potência instantânea da fase ‘a’
(
)
xPb
-
Vetor potência instantânea da fase ‘b’
(
)
xPc
-
Vetor potência instantânea da fase ‘c’
(
)
xIa
-
Vetor corrente instantânea da fase ‘a’
(
)
xIb
-
Vetor corrente instantânea da fase ‘b’
(
)
xIc
-
Vetor corrente instantânea da fase ‘c’
(
)
xVa
-
Vetor tensão instantânea da fase ‘a’
(
)
xVb
-
Vetor tensão instantânea da fase ‘b’
(
)
xVc
-
Vetor tensão instantânea da fase ‘c’
Depois que todos os cálculos foram efetuados, calcula-se o valor médio de cada um dos
vetores de potência instantânea, o somatório desses valores médios resulta na potência de entrada.
4.3.4.2 Primeira tela – Identificação
Ao iniciar o módulo de ensaios a primeira tela apresentada corresponderá à primeira etapa,
a etapa de identificação do ensaio e do motor, na Figura 4.8 é possível visualizar essa tela. A
primeira tela e todas as subseqüentes possuem dois painéis que trazem informações sobre as
tarefas a serem executadas e uma lista de checagem, estes objetos estão destacados na Figura 4.8.
O primeiro painel traz uma descrição resumida da etapa do conjunto de tarefas a ser
cumprida, o segundo painel traz as instruções de operação e a lista de checagem sinaliza as
58
tarefas cumpridas. A sinalização é feita pela mudança da cor do círculo que fica a esquerda de
cada tarefa a ser cumprida, quando a tarefa é cumprida a cor muda de branco para verde.
Quando todas as tarefas forem cumpridas o botão “Aceitar resultados” deve ser acionado,
esta ação verificará se todas as tarefas foram cumpridas. Em caso positivo, as informações
colhidas serão salvas no banco de dados, os controles que permitem o acesso às informações
fornecidas serão bloqueados e o botão “Próxima etapa” será habilitado. A não conclusão de um
ou mais itens produzirá uma aviso, informando que todas as tarefas devem ser completadas antes
de continuar os ensaios.
Figura 4.8 – Primeira tela do módulo de ensaios.
59
4.3.4.3 Segunda tela – Resistência média de linha, a frio
A determinação da resistência média de linha pelo método descrito no item 3.2.2, demanda
a entrada manual da temperatura ambiente, da resistência interna do voltímetro ou do
amperímetro e das leituras de tensão e corrente CC segundo o método descrito no item 2.2.1.
No teste das resistências das bobinas as leituras de tensão e corrente CC são processadas e
os resultados são apresentados para o operador na forma numérica e em mensagens que indicam
se o teste foi bem sucedido ou não. Em caso positivo, o programa indica qual é o melhor par de
terminais para continuar com os testes. Caso contrário, o programa indica que há um
desequilíbrio entre as resistências determinadas e os valores obtidos.
Para a determinação da resistência média de linha o programa verifica se o número mínimo
de leituras foi efetuado e se as resistências determinadas atendem as exigências da norma. A
segunda tela pode ser vista na Figura 4.9.
Figura 4.9 – Segunda tela do módulo de ensaios.
60
4.3.4.4 Terceira tela – Rotor Bloqueado
Nessa etapa devido à agressiva condição de operação a qual o motor é submetido,
dispositivos de alerta informam de várias maneiras e continuamente o estado da corrente, assim
como o tempo decorrido, desde o momento em que o motor foi alimentado.
O painel localizado logo abaixo do gráfico de corrente versus tempo, exibe mensagens,
para alertar e orientar o operador. Mensagens de alerta são exibidas quando o tempo limite de
operação, estabelecido pela norma, é atingido ou quando o tempo máximo de rotor bloqueado,
estabelecido pelo fabricante, é atingido.
Quando os dados amostrados são requisitados deve-se aguardar a execução dos comandos
pelo analisador de energia e a gravação dos dados em sua memória, antes de se desligar a
alimentação do motor, para tanto, uma mensagem indicando quando a alimentação pode ser
cortada é emitida.
No entanto, os alertas sobre os tempos limites estabelecidos pela norma e pelo fabricante
têm maior prioridade, logo, se um dos alertas for emitido a mensagem orientando o momento
correto do corte da alimentação não será exibida, devendo o motor ser desligado imediatamente
após a exposição do alerta.
A verificação da temperatura final do enrolamento é realizada através do método da
variação de resistência, exigindo leituras de tensão e corrente CC logo após a parada do motor.
De posse da resistência determinada e da potência do motor duas mensagens são emitidas, a
primeira apresenta a temperatura máxima permitida e a segunda a temperatura final calculada. A
terceira tela pode ser vista na Figura 4.10.
61
Figura 4.10 – Terceira tela do módulo de ensaios.
4.3.4.5 Quarta tela – Elevação de temperatura
Um cronômetro mede o tempo de operação do motor sob carga e alimentação nominais,
para indicar se houve tempo suficiente para o equilíbrio térmico ser atingido. Um painel exibe
leitura de conjugado e velocidade do motor, para que o operador possa se certificar que o motor
opere sob condições nominais.
Após o corte da alimentação, campos para entrada dos valores de tensão e corrente CC são
habilitados e se a primeira medida ocorrer dentro do tempo determinado pela norma, apenas uma
medição será necessária, caso contrário o programa continua contando o tempo e as leituras
subseqüentes podem se efetuadas.
O segundo cronômetro dessa etapa grava o tempo total decorrido e mostra uma contagem
parcial entre cada leitura de tensão e corrente CC. O botão “Anotar” serve para indicar ao
programa o instante em que a leitura foi executada e reiniciar a contagem parcial, os dados devem
62
ser inseridos nos campos correspondentes logo em seguida, antes que a contagem parcial de
tempo atinja 60 s. O botão “Gravar”, determina a resistência equivalente às leituras previamente
inseridas, grava, temporariamente, os resultados e os exibe na tabela.
Se apenas uma leitura de tensão e corrente CC foi efetuada, então a temperatura final será
determinada com base nessa leitura. Caso contrário, os pares ordenados formados pelas
resistências e instantes de tempo correspondentes serão utilizados para determinar a resistência
para um instante dentro do limite estabelecido pela Tabela 3.3, por extrapolação, através de uma
função definida pelo método de mínimos quadrados. A quarta tela pode ser vista na Figura 4.11.
Figura 4.11 – Quarta tela do módulo de ensaios.
63
4.3.4.6 Quinta tela – Carga variável
No ensaio de carga variável é necessário receber os dados amostrados das grandezas de
tensão, corrente, velocidade e conjugado, para cada um dos seis níveis de carga, como descrito no
item 3.2.5. Antes de receber os dados amostrados o operador pode monitorar o estado dessas
grandezas observando o painel “Leitura dos sensores”.
Após cada requisição de dados amostrados, estes são processados e obtêm-se o conjugado
médio, a potência de entrada, tensão, corrente, velocidade média e temperatura ambiente, para em
seguida serem exibidos na tabela abaixo do painel “Leitura dos sensores”.
O painel “Resistências” traz os campos de tensão e corrente CC que receberão as leituras
efetuadas para determinar a resistência do estator, em dois momentos, durante a realização do
ensaio. Com todos os campos devidamente preenchidos, o programa é capaz de efetuar os
cálculos relativos às resistências, ou que dependem delas, como:
• Diferença percentual entre ambas;
• Valor médio;
• Temperatura final do estator;
• Determinar a validade do ensaio;
• Exibir os resultados.
A temperatura final é calculada pelo método da variação da resistência, utilizando a
resistência obtida na segunda etapa e a média das resistências dessa etapa. A validade do ensaio é
verificada pela comparação da diferença percentual obtida e os limites, por faixa de potência do
motor, estabelecidas pela norma. A primeira leitura de resistência dever ser efetuada logo após o
primeiro teste de carga variável, a segunda logo após o sexto teste. A quinta tela pode ser vista na
Figura 4.12.
64
Figura 4.12 – Quinta tela do módulo de ensaios.
4.3.4.7 Sexta tela – Correção das perdas no dinamômetro
Nesta etapa será necessário receber os dados amostrados das grandezas de tensão, corrente,
velocidade e conjugado quando o dinamômetro estiver acoplado ao motor e receber apenas as
grandezas de tensão e corrente quando o dinamômetro estiver desacoplado.
Antes de iniciar um ensaio é necessário marcar uma das opções do painel “Ensaio”, essa
escolha foi oferecida para o caso de ser necessário repetir algum dos ensaios ou efetuá-los em
diferentes ordens. Logo após o término do recebimento dos dados amostrados, de qualquer das
opções, um aviso será exibido, comunicando quais dados foram recebidos, há um aviso para cada
um dos ensaios.
Para determinar a correção por perdas no dinamômetro é necessário um último dado, a
perda no núcleo, que será obtida na etapa seguinte, o ensaio a vazio. Por este motivo, nesta etapa,
65
só haverá coleta de dados, deixando a determinação da correção para a etapa seguinte. A sexta
tela pode ser vista na Figura 4.13.
Figura 4.13 – Sexta tela do módulo de ensaios.
4.3.4.8 Sétima tela – Motor a vazio
No ensaio a vazio é necessário receber apenas os dados amostrados das grandezas elétricas,
visto que nessa etapa o dinamômetro estará desacoplado, portanto os sensores que monitoram
conjugado e velocidade estarão fora de operação.
Antes de dar início às requisições de dados amostrados é necessário atender a condição de
estabilização da potência de entrada. Assim que um primeiro valor de potência de entrada é
definido como referência, um cronômetro é acionado e depois de 30 minutos uma segunda
medida de potência de entrada é comparada com a referência.
66
Se o limite definido pela norma for atendido outros comandos do programa são liberados e
o ensaio pode continuar, caso contrário, a primeira leitura de potência será ignorada e a segunda
leitura se tornará referência para a terceira leitura, a qual será efetuada 30 minutos depois. Esse
ciclo se repetirá até que a norma seja atendida ou o operador intervenha. No caso de intervenção
do operador, todos os valores de potência de entrada serão gravados, junto com um aviso de que
o ensaio prosseguiu com uma inconformidade.
Nesta etapa serão efetuadas diversas requisições de dados amostrados, uma para cada nível
de tensão. Como a quantidade de níveis dependerá do tamanho da variação de tensão que o
operador impor o número de requisições só será conhecido ao final do ensaio.
Cada vez que os dados voláteis são requisitados um algoritmo verifica se a variação de
corrente se reverteu, deixando de seguir as diminuições do nível de tensão. Essa verificação é
feita comparando-se o último valor de corrente eficaz, calculada a partir dos dados amostrados,
com a corrente oriunda dos dados voláteis. Se houver uma diferença positiva, em relação à
corrente eficaz calculada, e maior que 1%, considera-se que a corrente passou a aumentar ao
invés de diminuir.
É indispensável que uma das requisições de dados amostrados seja efetuada com um nível
de tensão o mais próximo possível do valor nominal de tensão, pois o programa necessitará dos
dados amostrados dessa requisição, relacionados à operação do motor a vazio e alimentado por
tensão nominal. As leituras são numeradas e deve-se dar especial atenção a numeração dessa
requisição, pois ela será necessária para finalizar os procedimentos dessa etapa.
Depois que os campos de tensão e corrente CC estiverem devidamente preenchidos e todas
as leituras requisitadas forem efetuadas é possível concluir a etapa e obter o valor da resistência
média, as perdas por atrito e ventilação, perda no núcleo e a correção para perdas no
dinamômetro. A sétima tela pode ser vista na Figura 4.14.
67
Figura 4.14 – Sétima tela do módulo de ensaios.
4.3.4.9 Oitava tela – Resultados
Nesta última etapa, todos os dados necessários já foram coletados e os cálculos finais, como
descrito no item 3.2.8, serão efetuados e gravados no banco de dados. Os resultados serão
exibidos em um painel e é possível imprimir um relatório padronizado, com os resultados dos
ensaios. A oitava tela pode ser vista na Figura 4.15.
68
Figura 4.15 – Oitava tela do módulo de ensaios.
4.4 O banco de dados
O banco de dados foi configurado para salvar apenas dois tipos de dados: texto e imagens.
Como dito anteriormente, todos os dados amostrados enviados pelo analisador de energia são do
tipo texto e quando chegam ao programa são convertidos em números, uma cópia desses dados é
gravada sem ser convertida para números.
Ao se empregar uma linguagem de programação como o Object Pascal, uma das maiores
preocupações são as variáveis manipuladas, pois cada um dos procedimentos que demandam
manipulações matemáticas necessita de variáveis. Durante o desenvolvimento desse programa
optou-se pela utilização do tipo Extended para as variáveis que armazenam números Reais, mas
programas desenvolvidos em outras plataformas podem apresentar dificuldades para lidar com
esse tipo de variável e não suportar o formato.
69
Por outro lado, o banco de dados pode ser acessado por muitos outros programas, basta que
tenham suporte a comandos SQL. Para evitar conflitos desnecessários, a armazenagem dos dados
será realizada integralmente em modo texto e sempre que necessário os dados armazenados serão
convertidos em números.
A capacidade de armazenar imagens poderá ser utilizada para guardar fotos que registrem
detalhes relevantes a algum procedimento de ensaio, ou para ilustrar o registro de um motor no
cadastro de motores, facilitando a sua identificação.
4.5 Comparativos
4.5.1 Precisão dos cálculos
A confiança nos resultados do processamento matemático de dados coletados é um ponto
importante para programas utilizados em aplicações científicas, tal confiança depende do
conhecimento dos processos envolvidos na obtenção desses resultados.
Como citado no item 4.1, o programa desenvolvido efetua seus cálculos com variáveis
numéricas da ordem de
4951
10
−
a
4932
10
com até 20 caracteres significativos, proporcionando
precisão para os cálculos efetuados.
Para demonstrar que o Delphi
®
pode ser utilizado para gerar programas destinados a
aplicações científicas, que demandem precisão, alguns procedimentos foram desenvolvidos no
Delphi
®
e portados para o MatLab
®
e os resultados foram comparados pela análise dos erros.
O primeiro algoritmo cria seis conjuntos de pontos que simulam uma coleta de dados
amostrados, com uma freqüência de amostragem igual àquela determinada para o analisador de
energia no item 4.2. Os conjuntos são formados por amostras de tensão e corrente trifásicas, cada
conjunto é criado separadamente como se fossem medidas três fases distintas, da mesma forma
que é feita pelo analisador de energia. A partir dos valores instantâneos de tensão e corrente são
determinados três conjuntos de pontos que correspondem à potência instantânea de cada fase.
Este algoritmo pode ser melhor compreendido visualizando-se o fluxograma da Figura 4.16.
70
Figura 4.16 – Fluxograma do algoritmo que gera os vetores de tensão, corrente e potência instantâneos.
O segundo algoritmo determina os valores eficazes de tensão e corrente e a potência ativa, a
partir dos conjuntos de pontos de tensão e corrente gerados pelo primeiro algoritmo. São
calculados da seguinte maneira:
• Tensão de fase: os valores de cada fase e a média aritmética entre eles;
• Corrente de linha: os valores de linha e a média aritmética entre eles;
• Potência ativa: os valores por fase e a potência total.
O algoritmo que efetua os cálculos pode ser mais facilmente compreendido visualizando-se
o fluxograma da Figura 4.17.
71
‘
Figura 4.17 – Fluxograma do algoritmo que calcula os valores de tensão de fase, corrente de linha e potência
ativa.
O intento desse procedimento não é o de reproduzir com fidelidade os dados amostrados
oriundos de medições reais, mas sim demonstrar a precisão que pode ser proporcionada pelo
Delphi®, na Tabela 4.5 e Tabela 4.6 pode-se visualizar os resultados obtidos através dos
algoritmos. Os algoritmos em Object Pascal e as adaptações para o Matlab
®
são apresentados no
APÊNDICE A.
72
Tabela 4.5 – Resultados obtidos através dos algoritmos que calculam os valores eficazes da tensão e da
corrente médias e da potência ativa total
Tensão eficaz (referência: 220 V) Erro relativo percentual
Delphi
®
Vm
219,999992265641723 -3,51561739844110453 E-06
Matlab
®
Vm
219,9999922656418 -3,515617366515885 E-06
Corrente eficaz (referência: 20 A) Erro relativo percentual
Delphi
®
Im
19,9999992857289421 -3,57135528952952364 E-06
Matlab
®
Im
19,99999928572895 -3,571355264853082 E-06
Potência Ativa (referência: = 13200 W) Erro relativo percentual
Delphi
®
Pt
13200,0000040998487 3,10594600005595 E-08
Matlab
®
Pt
13200,00000409985 3,105946454910957 E-08
Observando-se os resultados na Tabela 4.5 é possível perceber que o erro relativo
percentual é pequeno tanto para o Delphi
®
quanto para o Matlab
®
, mas para tensão e corrente, há
uma vantagem para o Matlab
®
. Na realidade essa vantagem é falsa, pois só existe devido aos
arredondamentos que os valores manipulados pelo Matlab
®
sofrem. A precisão do Matlab
®
para
números de vírgula flutuante é do tipo Double (MORAIS, 2006) compreendendo números que
vão desde 4,9 E–324 a 1,7 E308, positivos ou negativos e podendo apresentar de 15 a 16 dígitos.
Essa falsa vantagem ocorre por causa do método de obtenção do erro relativo, onde
primeiro se obtém o erro absoluto que é a diferença entre a referência e o valor calculado, como o
valor calculado é arredondado para cima, o valor obtido pelo Matlab
®
é superior, tornando o erro
absoluto menor.
O mesmo acontece com o cálculo do erro para a potência total, no entanto, o valor
calculado é superior à referência e o arredondamento do Matlab® torna o valor calculado mais
distante do valor de referência. Na Tabela 4.6 pode-se observar os valores determinados por fase.
73
Tabela 4.6 – Resultados obtidos através dos algoritmos que calculam os valores eficazes da tensão e da
corrente e da potência ativa, por fase
Tensão eficaz (referência: 220 V) Erro relativo percentual
Va
220,082790197498409 0,0376319079538224955
Vb
219,953479399916729 -0,0211457273105778708
Delphi
®
Vc
219,963707199510032 -0,0164967274954399481
Va
220,0827901974984 0,03763190795384
Vb
219,9534793999169 -0,02114572731051
Matlab
®
Vc
219,9637071995101 -0,01649672749542
Corrente eficaz (referência: 20 A) Erro relativo percentual
Ia
20,0075262387770327 0,0376311938851635504
Ib
19,9957708953059408 -0,0211455234702960168
Delphi
®
Ic
19,9967007231038528 -0,0164963844807361308
Ia
20,00752623877704 0,03763119388520
Ib
19,99577089530594 -0,02114552347029
Matlab
®
Ic
19,99670072310386 -0,01649638448072
Potência Ativa (referência: 4400 W) Erro relativo percentual
Pa
4403,31219953101362 0,0752772620684912998
Pb
4398,13938186081695 -0,0422867758905239563
Delphi
®
Pc
4398,54842270801816 -0,0329903929995873520
Pa
4403,312199531012 0,07527726206846
Pb
4398,139381860817 -0,04228677589053
Matlab
®
Pc
4398,548422708020 -0,03299039299955
Outro teste, com apenas uma operação matemática, pode ser realizado para garantir o que
foi dito a respeito da precisão dos cálculos efetuados com números do tipo Extended. Este teste
consiste na diferença entre dois números:
BAC
−
=
(4.15)
Sendo:
A
-
1,000000000000005
B
-
1,000000000000004
74
C
-
Resultado da operação (Esperado: 1,0 E-15)
Observando-se os resultados exibidos na Tabela 4.6 e na Tabela 4.7 torna-se explícito que
programas desenvolvidos no Delphi
®
podem efetuar cálculos tão precisos quanto o Matlab
®
,
permitindo, em casos particulares, uma precisão ainda maior.
Tabela 4.7 – Resultados da diferença entre dois números reais e seus respectivos erros relativos percentuais
Resultado obtido Erro relativo percentual
Delphi
®
C
1,00006808390062929 E-15 0,0068
Matlab
®
C
1,110223024625157 E-015 11,0223
Por questões de compatibilidade, com o banco de dados empregado e com outros
programas que possam vir a acessar os dados gravados, todos os resultados numéricos são
convertidos em texto e só depois são gravados.
Para preservar a precisão dos números tipo Extended o procedimento convencional de
conversão de números de vírgula flutuante para texto é ignorado e um procedimento que permite
configurar o número de caracteres significativos é utilizado.
4.5.2 Velocidade
O tempo que um programa consome para concluir uma tarefa requisitada é um ponto
importante quando uma resposta rápida é imprescindível para o operador tomar uma decisão ou
quando outros processos dependem da finalização de um processo anterior. Diversos
procedimentos, do programa desenvolvido nesse trabalho, se enquadram em uma ou em ambas
situações.
Um programa compilado, comparado a um programa interpretado, oferece maior
velocidade na execução de suas tarefas, pois seus algoritmos já foram traduzidos de uma
linguagem de programação de alto nível para uma linguagem de baixo nível (linguagem de
máquina). Um programa interpretado necessita que cada linha de seu código fonte seja traduzida
para então ser executada.
75
Somente com o intuito de estabelecer um parâmetro confiável, outro procedimento teste foi
desenvolvido no Delphi
®
e em seguida portado para o Matlab
®
, ambos os algoritmos são
apresentados no APÊNDICE B, este procedimento é quase idêntico ao procedimento utilizado no
item 4.5.1, as diferenças são listadas a seguir:
• Delphi
®
– Adição de um contador de tempo;
• Delphi
®
– Adição de um laço que força a repetição do procedimento de cálculo “n” vezes;
• Matlab
®
– Adição de um contador de tempo;
• Matlab
®
– Rearranjo do código para que a contagem de tempo seja efetuada no trecho que
corresponde aos cálculos.
O laço que força a repetição do procedimento de cálculo se faz necessário, pois o tempo
consumido para apenas uma execução é inferior à menor unidade de tempo detectável pelo
contador de tempo. Logo, o tempo de execução do cálculo é determinado pelo quociente do
tempo consumido para executar o laço n vezes, pelo número de repetições.
O rearranjo do código para o Matlab
®
foi necessário para que o contador não contabilizasse
o tempo consumido com a execução de linhas de código que não fizessem parte do procedimento
de cálculo e a adição dos contadores de tempo, em ambos os códigos, dispensam explicação.
Tabela 4.8 – Resultados dos testes de velocidade com suas respectivas configurações
Pontos SFactor Freqüência (kHz) Delphi
®
- tempo
(segundos)
Matlab
®
- tempo
(segundos)
661 43 7,94 67,2 E-06 16,0 E-03
1422 20 17,07 153,2 E-06 32,0 E-03
2844 10 34,13 309,4 E-06 47,0 E-03
28444 1 341,33 3107,8 E-06 391,0 E-03
O segundo item da Tabela 4.8 (o SFactor) é um parâmetro utilizado para controlar a taxa de
amostragem utilizada pelo analisador de energia, é definido no código do programa e não pode
ser modificado pelo operador. Seu valor padrão é 43, resultando numa taxa de amostragem de
7,93 kHz. A relação entre a taxa de amostragem e o valor desse parâmetro é linear e definida pelo
quociente da taxa de amostragem base, pelo SFactor.
76
A taxa de amostragem padrão permite um número suficiente de pontos para apresentar
erros relativos percentuais como os exibidos na Tabela 4.5 e na Tabela 4.6, para sinais de tensão
e corrente senoidais, livres de distorções harmônicas. Caso seja necessário uma maior taxa de
amostragem basta diminuir o SFactor.
Os resultados deste teste em nada desabonam a capacidade de processamento do Matlab
®
,
visto que o seu propósito é outro, apenas demonstram que para o desenvolvimento deste
programa, que demanda processamento rápido o Delphi
®
se apresenta como uma solução mais
adequada.
4.6 Desenvolvimento especializado
Cada aspecto do código fonte teve seu desenvolvimento orientado pela metodologia de
ensaio de motores de indução trifásicos descrito no Capítulo 3, focando, no entanto, o
aperfeiçoamento no uso do tempo, a redução de erros de origem humana, a elaboração de uma
interface gráfica amigável e de linhas de código reutilizáveis.
O programa foi desenvolvido com uma finalidade específica, que só foi possível graças à
flexibilidade proporcionada pelo Delphi
®
.
4.7 Considerações finais
Neste capítulo são apresentadas as características do código fonte, os parâmetros
programáveis do analisador de energia, a estrutura do programa, uma descrição do banco de
dados e comparativos de precisão e desempenho.
O desenvolvimento desse programa busca proporcionar uma interface amigável para o
operador de forma a melhorar seu desempenho em relação à precisão das leituras, ao consumo de
tempo e no correto cumprimento das operações prescritas pela norma.
A preocupação quanto à organização e documentação do código fonte tem origem na
intenção de facilitar modificações e correções no programa, permitindo sua evolução conforme as
77
necessidades surjam. Essa preocupação também diz respeito ao interesse em tornar as operações
transparentes.
Como demonstrado no item 4.5 os códigos fonte compilados apresentam boa precisão e alta
velocidade que ajudam a compensar códigos que tenham sido pouco amadurecidos e como o
código fonte nos pertence, pode ser melhorado com o tempo. Uma base de dados com trechos de
códigos fonte re-aproveitáveis pode ser criada e expandida com o tempo.
O capítulo seguinte traz a conclusão deste trabalho.
5 CONCLUSÃO
Neste trabalho desenvolveu-se uma metodologia de ensaios de motores de indução
trifásicos baseada nas capacidades futuras das instalações do LABMETRO e em normas
nacionais. Em seguida desenvolveu-se um programa que objetiva na melhora da eficiência dos
procedimentos de ensaio, pela automatização da aquisição, processamento e armazenamento dos
dados obtidos com o auxílio de um guia virtual.
O desenvolvimento de um programa que interage com equipamentos tradicionais de
leituras proporciona uma flexibilidade inerente a um ambiente programável, visto que as
abordagens podem ser convenientemente modificadas, à medida que as necessidades surjam e
mesmo que o programa tenha sido desenvolvido respeitando as prescrições da NBR 5383, seus
códigos podem ser reaproveitados para a construção de um módulo que atenda a necessidades
específicas, que não tenham sido contempladas pela norma, como ensaios com finalidades
científicas, ou sob condições de trabalho não previstas pelo fabricante do motor.
A utilização do programa pode proporcionar uma diminuição do tempo consumido ao
substituir a mão humana em operações repetitivas e demoradas como coleta e processamento de
dados. Uma redução de erros também é possível graças à orientação virtual, ao tratamento de
erros para dados de entrada manuais e a verificação dos dados por comparação com os limites
estabelecidos pela norma.
A redução de erros também colabora para a diminuição do tempo consumido nos ensaios,
pois erros podem exigir repetições desnecessárias de testes com resultados duvidosos.
O emprego de uma linguagem de alto nível como o Object Pascal, proporciona
flexibilidade, transparência dos procedimentos, alto desempenho em cálculos, alta precisão e
facilidade na programação. Diferente de soluções que oferecem diagramas de blocos a serem
conectados o Object Pascal permite ao desenvolvedor conhecer, compreender e determinar como
seus procedimentos devem funcionar.
O Firebird permite uma eficiente organização dos dados gravando-os em um único arquivo
e dispensando a costumeira coleção de planilhas, arquivos texto, fotos e pastas. Proporciona
rapidez para encontrar as informações desejadas, pois o SQL foi desenvolvido com o propósito
de efetuar buscas de forma eficiente.
79
A substituição de equipamentos de medidas tradicionais por sistemas virtuais de medidas
apresenta benefícios dos pontos de vista financeiro, metrológico e tecnológico, pois poderá
proporcionar economia de tempo; um sistema transparente e fundamentado em normas; e um
caminho natural para a aplicação de novas tecnologias.
Sugere-se como trabalhos futuros o desenvolvimento de um módulo que estime o custo da
energia elétrica consumida nos ensaios acompanhado de um estudo da economia de energia que
um sistema computadorizado pode proporcionar e a conversão do código fonte para uma
linguagem aberta, permitindo que o programa seja utilizado em plataformas abertas.
REFERÊNCIAS
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5383-1: Parte 1:
Motores de indução trifásicos – Ensaios. Rio de Janeiro, 2002.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7094: Máquinas
elétricas girantes . Motores de indução – Especificação. Rio de Janeiro, 2003.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA de NORMAS TÉCNICAS. Perguntas mais freqüentes.
Disponível em link:< http://www.abnt.com.br/m2.asp?cod_pagina=963> Acesso em:
05/03/2007.
BRASIL. Lei n° 8.078, de 11 de setembro de 1990. Dispõe sobre as competências do
Conmetro e do Inmetro, institui a taxa de serviços metrológicos, e dá outras providências.
Disponível em: <http://www.inmetro.gov.br/legislacao/lei9933.asp>. Acesso em:
21/06/2007.
BRASIL. Lei n° 9.933, de 20 de Dezembro de 1999. Dispões sobre a proteção do
consumidor e dá providências. Disponível em:
<http://www.mj.gov.br/DPDC/servicos/legislacao/pdf/cdc.pdf>. Acesso em: 05/03/2007.
CodeGear. InterBase Public License. Disponível em: <
http://dn.codegear.com/article/30198 >. Acesso em: 14/02/2007.
Dai, W.; Xu, L.; Zhang, J. Computer aided type test system for electric machine. Power
Electronics and Motion Control Conference, 2000. Proceedings. IPEMC 2000. The Third
International Volume 3 Page(s):1474 - 1477 vol.3, 15-18 Aug. 2000.
DALMOLIN, Q. Ajustamento por Mínimos Quadrados. Curitiba: Imprensa Universitária
– UFPR, 2002.
Ferrero, A. Software for personal instruments. Instrumentation and Measurement
Technology Conference. IMTC-90. Conference Record., 7th IEEE. 13-15 Page(s):316 –
319, Feb 1990.
81
INMETRO. Conheça o Inmetro. Disponível em link:<
http://www.inmetro.gov.br/inmetro/> Acesso em: 07/05/2007.
LEM. Operating Manual – Power Analyzer NORMA 3000 / 4000/ 5000, Revisão E.
Impresso na Áustria.
LEM. Remote Control Manual Wide-Band Power Analyzer NORMA 3000 / 4000/ 5000,
versão 2.00. Fevereiro de 2006.
MORAIS, V; VIEIRA, C. Matlab 7&6 – Curso completo. Lisboa: ed. FCA, 2006.
MOREIRA, A C. Uso de Instrumentação Virtual Para a Análise da Qualidade da Energia
Elétrica. Dissertação de mestrado submetida à Faculdade Engenharia Elétrica e de
Computação da Universidade de Campinas, 2006.
SCPI CONSORTIUM. Standard commands for programmable instruments. Volume 1:
Sintax and Style. Maio de 1999.
The FirebirdSQL Foundation. Características principais. Disponível em:
<http://www.firebirdsql.org/guide/Firebird-1.5-Factsheet-pt.html>. Acesso em:
14/02/2007.
WEG. Guia de motores elétricos. Setembro de 2002.
WEG. Manual de operação – Identificação dos painéis.
APÊNDICE A
Aqui são apresentados os algoritmos desenvolvidos para realizar a comparação da precisão
dos cálculos efetuados pelo programa desenvolvido no Delphi
®
e uma adaptação do mesmo
código para o Matlab
®
.
Código fonte do programa elaborado no Delphi
®
:
//==============================================================================
//==============================================================================
//--- Esse procedimento gera os vetores de tensão de referência e amostrados
procedure TForm1.BtnGerarVetoresClick(Sender: TObject);
var
i:integer;
t_amostrado:extended;
// "t_amostrado" armazena, temporariamente, o valor do tempo decorrido. A cada iteração deste
//procedimento é somado a variável um "DeltaT_Amostrado", esse valor é gravado em uma posição do
//vetor de tempo.
begin
//--- Atribuindo valores as variaveis utilizados pelo procedimento
Veficaz:=220; // Tensão de referência
Ieficaz:=20; // Corrente de referência
Peficaz:=Veficaz*Ieficaz; // Potência de referência
w:=2*3.14159265358979*60; // Determinação do valor de w (ômega)
Ampl:=Sqrt(2)*Veficaz; // Determinação da amplitude do sinal de tensão
Ampl1:=Sqrt(2)*Ieficaz; // Determinação da amplitude do sinal de corrente
Periodo:=83.33333333e-3; // Período analisado, corresponde a, aproximadamente,
// cinco períodos de onda de 60 Hz
Sfactor:=43; // Fator que multiplica o intervalo de amostragem base
DeltaT_Amostrado:=Sfactor*2.929687500e-6; // Intervalo de amostragem
nAmostra:=round(Periodo/DeltaT_Amostrado); // Número de pontos que será gerado
//--- Procedimentos para gerar os vetores de tensão amostrada
// Esvaziando os vetores (Para o caso de estarem sendo re-utilizados)
SetLength(VtTempoAmostra,0);
SetLength(VtVaAmostra,0);
SetLength(VtVbAmostra,0);
SetLength(VtVcAmostra,0);
SetLength(VtIaAmostra,0);
SetLength(VtIbAmostra,0);
SetLength(VtIcAmostra,0);
SetLength(VtPaAmostra,0);
SetLength(VtPbAmostra,0);
SetLength(VtPcAmostra,0);
// Configurando o número de elementos dos vetores
SetLength(VtTempoAmostra,nAmostra);
SetLength(VtVaAmostra,nAmostra);
SetLength(VtVbAmostra,nAmostra);
SetLength(VtVcAmostra,nAmostra);
SetLength(VtIaAmostra,nAmostra);
SetLength(VtIbAmostra,nAmostra);
SetLength(VtIcAmostra,nAmostra);
SetLength(VtPaAmostra,nAmostra);
SetLength(VtPbAmostra,nAmostra);
SetLength(VtPcAmostra,nAmostra);
// Preechendo os vetores
t_amostrado:=0;
for i:=0 to (nAmostra-1) do
begin
//Vetores de tensão
83
VtVaAmostra[i]:=(round(Ampl*sin(w*t_amostrado)*10e4))/10e4;
VtVbAmostra[i]:=(round(Ampl*sin(w*t_amostrado+2*pi/3)*10e4))/10e4;
VtVcAmostra[i]:=(round(Ampl*sin(w*t_amostrado+4*pi/3)*10e4))/10e4;
//Vetores de corrente
VtIaAmostra[i]:=(round(Ampl1*sin(w*t_amostrado)*10e4))/10e4;
VtIbAmostra[i]:=(round(Ampl1*sin(w*t_amostrado+2*pi/3)*10e4))/10e4;
VtIcAmostra[i]:=(round(Ampl1*sin(w*t_amostrado+4*pi/3)*10e4))/10e4;
//Vetores de potência
VtPaAmostra[i]:=(round(VtVaAmostra[i]*VtIaAmostra[i]*10e4))/10e4;
VtPbAmostra[i]:=(round(VtVbAmostra[i]*VtIbAmostra[i]*10e4))/10e4;
VtPcAmostra[i]:=(round(VtVcAmostra[i]*VtIcAmostra[i]*10e4))/10e4;
VtTempoAmostra[i]:=t_amostrado;
t_amostrado:=t_amostrado+DeltaT_Amostrado; // A cada passagem, "t" é incrementado
end; //de "delta_t"
BtnGeraGraficos.Enabled:=true;
BtnOutro.Enabled:=true;
end;
//==============================================================================
//==============================================================================
//==============================================================================
//==============================================================================
//--- Procedimentos testar a precisão dos cálculos
procedure TForm1.BtnOutroClick(Sender: TObject);
var
Soma, Soma1, Soma2, A, A1, A2, ErroMedio, ErroParcial: extended;
i, j: integer;
begin
// Determinação dos somatórios
for j:=0 to 2 do
begin
Soma:=0;
Soma1:=0;
Soma2:=0;
for i:=0 to (nAmostra-1) do
begin
case j of
// Fase A
0: begin
A:=Sqr(VtVaAmostra[i]);
A1:=Sqr(VtIaAmostra[i]);
A2:=VtPaAmostra[i];
Soma:=Soma+A;
Soma1:=Soma1+A1;
Soma2:=Soma2+A2;
end;
// Fase B
1: begin
A:=Sqr(VtVbAmostra[i]);
A1:=Sqr(VtIbAmostra[i]);
A2:=VtPbAmostra[i];
Soma:=Soma+A;
Soma1:=Soma1+A1;
Soma2:=Soma2+A2;
end;
// Fase C
2: begin
A:=Sqr(VtVcAmostra[i]);
A1:=Sqr(VtIcAmostra[i]);
A2:=VtPcAmostra[i];
Soma:=Soma+A;
Soma1:=Soma1+A1;
Soma2:=Soma2+A2;
end;
end//end do "case" do "j"
end;//end do "begin" do "i"
84
// Determinação das tensões eficazes
VtVEficaz[j]:=Sqrt(Soma/nAmostra);
// Determinação das correntes eficazes
VtIEficaz[j]:=Sqrt(Soma1/nAmostra);
// Determinação das potências ativas
VtPEficaz[j]:=(Soma2/nAmostra);
end;
//--- Apresentado os resultados
// Limpando os componentes "Memos" antes de inserir dados
MmResultados.Lines.Clear;
MmResultados02.Lines.Clear;
// Apresentando os resultados de tensão
MmResultados.Lines.Add(' ');
MmResultados.Lines.Add('--- Tensões de fase ---');
MmResultados.Lines.Add(' ');
for i:=0 to 2 do
begin
ErroParcial:=(VtVEficaz[i]-Veficaz)*100/Veficaz;//Erro percentual de cada sinal de tensão
MmResultados.Lines.Add(' V'+IntToStr(i)+' = '+FloatToStrF(VtVEficaz[i], ffExponent,18,2));
MmResultados.Lines.Add(' ErroParc = '+FloatToStrF(ErroParcial, ffExponent,18,2)+'%');
end;
MmResultados.Lines.Add('');
MmResultados.Lines.Add('Média aritmética das tensões eficazes');
MmResultados.Lines.Add('');
VtVEficaz[3]:=(VtVEficaz[0]+VtVEficaz[1]+VtVEficaz[2])/3;//Na posição "7" desse vetor é
guardada a média entre as três tensões calculadas anteriormente
ErroMedio:=(VtVEficaz[3]-Veficaz)*100/Veficaz;//Erro percentual da média das tensões
MmResultados.Lines.Add(' Vmed = '+FloatToStrF(VtVEficaz[3],ffExponent,18,2));
MmResultados.Lines.Add(' Erro da média = '+FloatToStrF(ErroMedio,ffExponent,18,2)+'%');
MmResultados.Lines.Add('');
// Apresentando os resultados de corrente
MmResultados.Lines.Add('');
MmResultados.Lines.Add('--- Correntes de linha ---');
MmResultados.Lines.Add('');
for i:=0 to 2 do
begin
ErroParcial:=(VtIEficaz[i]-Ieficaz)*100/Ieficaz;//Erro percentual de cada sinal de tensão
MmResultados.Lines.Add(' I'+IntToStr(i)+' = '+FloatToStrF(VtIEficaz[i],ffExponent,18,2));
MmResultados.Lines.Add(' ErroParc = '+FloatToStrF(ErroParcial,ffExponent,18,2)+'%');
end;
MmResultados.Lines.Add('');
MmResultados.Lines.Add('Média aritmética das correntes');
MmResultados.Lines.Add('');
VtIEficaz[3]:=(VtIEficaz[0]+VtIEficaz[1]+VtIEficaz[2])/3;//Na posição "7" desse vetor é
guardada a média entre as três tensões calculadas anteriormente
ErroMedio:=(VtIEficaz[3]-Ieficaz)*100/Ieficaz;//Erro percentual da média das tensões
MmResultados.Lines.Add(' Imed = '+FloatToStrF(VtIEficaz[3],ffExponent,18,2));
MmResultados.Lines.Add(' Erro da média = '+FloatToStrF(ErroMedio,ffExponent,18,2)+'%');
MmResultados.Lines.Add('');
// Apresentando os resultados de potência
MmResultados02.Lines.Add('');
MmResultados02.Lines.Add('--- Potência por fase ---');
MmResultados02.Lines.Add('');
for i:=0 to 2 do
begin
ErroParcial:=(VtPEficaz[i]-Peficaz)*100/Peficaz;
MmResultados02.Lines.Add(' P'+IntToStr(i)+' =
'+FloatToStrF(VtPEficaz[i],ffExponent,18,2));
MmResultados02.Lines.Add(' ErroParc = '+FloatToStrF(ErroParcial,ffExponent,18,2)+'%');
end;
MmResultados02.Lines.Add('');
MmResultados02.Lines.Add('Potência total');
85
MmResultados02.Lines.Add('');
VtPEficaz[3]:=(VtPEficaz[0]+VtPEficaz[1]+VtPEficaz[2]);
ErroMedio:=(VtPEficaz[3]-(3*Peficaz))*100/(3*Peficaz);
MmResultados02.Lines.Add(' Ptotal = '+FloatToStrF(VtPEficaz[3],ffExponent,18,2));
MmResultados02.Lines.Add(' Erro da média = '+FloatToStr(ErroMedio)+'%');
MmResultados02.Lines.Add('');
MmResultados02.Lines.Add('Número de pontos: '+IntToStr(nAmostra));
MmResultados02.Lines.Add('Tensão de referência(fase): '+FloatToStrF(Veficaz,ffExponent,18,2));
MmResultados02.Lines.Add('Corrente de referência(linha):
'+FloatToStrF(Ieficaz,ffExponent,18,2));
MmResultados02.Lines.Add('Potência de referência(total):
'+FloatToStrF((3*Peficaz),ffExponent,18,2));
MmResultados02.Lines.Add('Período: '+FloatToStr(Periodo));
MmResultados02.Lines.Add('Sfactor: '+IntToStr(Sfactor));
MmResultados02.Lines.Add('Intervalo de amostragem:
'+FloatToStrF(DeltaT_Amostrado,ffExponent,18,2));
end;
//==============================================================================
//==============================================================================
Código fonte da adaptação para o Matlab
®
:
%--- Adaptaçao do algoritmo que gera os conjuntos de pontos de tensao, corrente e potencia e
efetua os calculos
clear all; clc; format long;
%--- Atribuindo valores as variaveis utilizadas pelo algoritmo
Veficaz=220; % Tensao de referencia
Ieficaz=20; % Corrente de referencia
w=2*3.14159265358979*60; % Omega para uma rede de 60 Hz
Ampl=(2^0.5)*Veficaz; % Amplitude do sinal de tensao
Ampl1=(2^0.5)*Ieficaz; % Amplitude do sinal de corrente
Pativa=Veficaz*Ieficaz % Potencia ativa
t=0; % tempo
SFactor=43; % Fator que multiplica o intervalo de amostragem base
Periodo=83.33333333e-3; % Periodo analisado, corresponde a, aproximadamente, cinco períodos de
onda de 60 Hz
DeltaT=SFactor*2.929687500e-6 % Intervalo de amostragem
n=round(Periodo/(DeltaT)) % Numero de pontos que sera gerado
%--- Este laço cria os vetores de tensao, corrente e potencia instantaneos
for ia=1:n
% Vetores de tensao
VtVa(ia)=(round(Ampl*sin(w*(t))*10e4))/10e4;
VtVb(ia)=(round(Ampl*sin(w*(t)+2*3.14159265358979/3)*10e4))/10e4;
VtVc(ia)=(round(Ampl*sin(w*(t)+4*3.14159265358979/3)*10e4))/10e4;
% Vetores de corrente
VtIa(ia)=(round(Ampl1*sin(w*(t))*10e4))/10e4;
VtIb(ia)=(round(Ampl1*sin(w*(t)+2*3.14159265358979/3)*10e4))/10e4;
VtIc(ia)=(round(Ampl1*sin(w*(t)+4*3.14159265358979/3)*10e4))/10e4;
% Vetores de potencia
VtPa(ia)=(round(VtVa(ia)*VtIa(ia)*10e4))/10e4;
VtPb(ia)=(round(VtVb(ia)*VtIb(ia)*10e4))/10e4;
VtPc(ia)=(round(VtVc(ia)*VtIc(ia)*10e4))/10e4;
% A cada passagem, "t" é incrementado de "Intervalo"
t=t+(DeltaT);
end;
%--- Determinaçao das tensoes e correntes efizes e das potencias ativas
% Determinaçao dos somatorios
86
Soma=0; Soma1=0; Soma2=0;
SomaI=0; SomaI1=0; SomaI2=0;
SomaP=0; SomaP1=0; SomaP2=0;
for ia=1:n
% Fase A
A=(VtVa(ia))^2;
AI=(VtIa(ia))^2;
AP=VtPa(ia);
Soma=Soma+A;
SomaI=SomaI+AI;
SomaP=SomaP+AP;
% Fase B
A1=(VtVb(ia))^2;
AI1=(VtIb(ia))^2;
AP1=VtPb(ia);
Soma1=Soma1+A1;
SomaI1=SomaI1+AI1;
SomaP1=SomaP1+AP1;
% Fase C
A2=(VtVc(ia))^2;
AI2=(VtIc(ia))^2;
AP2=VtPc(ia);
Soma2=Soma2+A2;
SomaI2=SomaI2+AI2;
SomaP2=SomaP2+AP2;
end;
% Determinaçao das tensoes eficazes
Va_Eficaz=(Soma/n)^0.5 %Valor eficaz, calculado a partir dos dados amostrados
Erro_Perc_Va=((Va_Eficaz-Veficaz)/Veficaz)*100 %Erro relativo percentual
Vb_Eficaz=(Soma1/n)^0.5 %Valor eficaz, calculado a partir dos dados amostrados
Erro_Perc_Vb=((Vb_Eficaz-Veficaz)/Veficaz)*100 %Erro relativo percentual
Vc_Eficaz=(Soma2/n)^0.5 %Valor eficaz, calculado a partir dos dados amostrados
Erro_Perc_Vc=((Vc_Eficaz-Veficaz)/Veficaz)*100 %Erro relativo percentual
V_Med=(Va_Eficaz+Vb_Eficaz+Vc_Eficaz)/3 %Media aritmetica das tensoes
ErroMed=((V_Med-Veficaz)/Veficaz)*100 %Erro relativo percentual
% Determinaçao das correntes eficazes
Ia_Eficaz=(SomaI/n)^0.5 %Valor eficaz, calculado a partir dos dados amostrados
Erro_Perc_Ia=((Ia_Eficaz-Ieficaz)/Ieficaz)*100 %Erro relativo percentual
Ib_Eficaz=(SomaI1/n)^0.5 %Valor eficaz, calculado a partir dos dados amostrados
Erro_Perc_Ib=((Ib_Eficaz-Ieficaz)/Ieficaz)*100 %Erro relativo percentual
Ic_Eficaz=(SomaI2/n)^0.5 %Valor eficaz, calculado a partir dos dados amostrados
Erro_Perc_Ic=((Ic_Eficaz-Ieficaz)/Ieficaz)*100 %Erro relativo percentual
I_Med=(Ia_Eficaz+Ib_Eficaz+Ic_Eficaz)/3 %Media aritmetica das correntes
ErroMed=((I_Med-Ieficaz)/Ieficaz)*100 %Erro relativo percentual
% Determinaçao das potencias ativas
Pa_Eficaz=SomaP/n %Valor eficaz, calculado a partir dos dados amostrados
Erro_Perc_Pa=((Pa_Eficaz-Pativa)/Pativa)*100 %Erro relativo percentual
Pb_Eficaz=SomaP1/n %Valor eficaz, calculado a partir dos dados amostrados
Erro_Perc_Pb=((Pb_Eficaz-Pativa)/Pativa)*100 %Erro relativo percentual
Pc_Eficaz=SomaP2/n %Valor eficaz, calculado a partir dos dados amostrados
Erro_Perc_Pc=((Pc_Eficaz-Pativa)/Pativa)*100 %Erro relativo percentual
P_Total=(Pa_Eficaz+Pb_Eficaz+Pc_Eficaz) %Potencia total das tres fases
ErroMed=((P_Total-(3*Pativa))/(3*Pativa))*100 %Erro relativo percentual
APÊNDICE B
Aqui são apresentados os algoritmos desenvolvidos para realizar a comparação da
velocidade dos cálculos efetuados pelo programa desenvolvido no Delphi
®
e uma adaptação do
mesmo código para o Matlab
®
.
Código fonte do programa elaborado no Delphi
®
:
//==============================================================================
//==============================================================================
//--- Procedimentos testar a velocidade dos cálculos
procedure TForm1.BtnMarcaTempoClick(Sender: TObject);
var
Soma, Soma1, Soma2, A, A1, A2, ErroMedio, ErroParcial: extended;
i, j, n: integer;
H1, M1, S1, Ms1, H2, M2, S2, Ms2, H3, M3, S3, Ms3:word;
tempo_aux1,tempo_aux2,tempo_aux3: TDateTime;
begin
// Gravando o instante inicial
tempo_aux1:=now;
// Determinação dos somatórios
for n:=1 to 1000 do
begin
for j:=0 to 2 do
begin
Soma:=0;
Soma1:=0;
Soma2:=0;
for i:=0 to (nAmostra-1) do
begin
case j of
// Fase A
0: begin
A:=Sqr(VtVaAmostra[i]);
A1:=Sqr(VtIaAmostra[i]);
A2:=VtPaAmostra[i];
Soma:=Soma+A;
Soma1:=Soma1+A1;
Soma2:=Soma2+A2;
end;
// Fase B
1: begin
A:=Sqr(VtVbAmostra[i]);
A1:=Sqr(VtIbAmostra[i]);
A2:=VtPbAmostra[i];
Soma:=Soma+A;
Soma1:=Soma1+A1;
Soma2:=Soma2+A2;
end;
// Fase C
2: begin
A:=Sqr(VtVcAmostra[i]);
A1:=Sqr(VtIcAmostra[i]);
A2:=VtPcAmostra[i];
Soma:=Soma+A;
Soma1:=Soma1+A1;
Soma2:=Soma2+A2;
end;
88
end//end do "case" do "j"
end;//end do "begin" do "i"
// Determinação das tensões eficazes
VtVEficaz[j]:=Sqrt(Soma/nAmostra);
// Determinação das correntes eficazes
VtIEficaz[j]:=Sqrt(Soma1/nAmostra);
// Determinação das potências ativas
VtPEficaz[j]:=(Soma2/nAmostra);
end;
end;//end do for "n"
// Gravando o instante final
tempo_aux2:=now;
//--- Apresentado os resultados
// Limpando os componentes "Memos" antes de inserir dados
MmResultados.Lines.Clear;
MmResultados02.Lines.Clear;
// Procedimentos para calcular a diferença de tempo entre o instante inicial e o final
//e exibir os dados
tempo_aux3:=tempo_aux2-tempo_aux1;
DecodeTime(tempo_aux1,H1,M1,S1,Ms1);
DecodeTime(tempo_aux2,H2,M2,S2,Ms2);
DecodeTime(tempo_aux3,H3,M3,S3,Ms3);
MmResultados.Lines.Add(IntToStr(S1)+':'+IntToStr(Ms1));
MmResultados.Lines.Add(IntToStr(S2)+':'+IntToStr(Ms2));
if Ms3<100 then MmResultados.Lines.Add(' Diferença: '+IntToStr(S3)+':0'+IntToStr(Ms3))
else MmResultados.Lines.Add(' Diferença: '+IntToStr(S3)+':'+IntToStr(Ms3));
MmResultados.Lines.Add('');
// Apresentando os resultados de tensão
MmResultados.Lines.Add(' ');
MmResultados.Lines.Add('--- Tensões de fase ---');
MmResultados.Lines.Add(' ');
for i:=0 to 2 do
begin
ErroParcial:=(VtVEficaz[i]-Veficaz)*100/Veficaz;//Erro percentual de cada sinal de tensão
MmResultados.Lines.Add(' V'+IntToStr(i)+' = '+FloatToStrF(VtVEficaz[i], ffExponent,18,2));
MmResultados.Lines.Add(' ErroParc = '+FloatToStrF(ErroParcial, ffExponent,18,2)+'%');
end;
MmResultados.Lines.Add('');
MmResultados.Lines.Add('Média aritmética das tensões eficazes');
MmResultados.Lines.Add('');
VtVEficaz[3]:=(VtVEficaz[0]+VtVEficaz[1]+VtVEficaz[2])/3;//Na posição "7" desse vetor é
guardada a média entre as três tensões calculadas anteriormente
ErroMedio:=(VtVEficaz[3]-Veficaz)*100/Veficaz;//Erro percentual da média das tensões
MmResultados.Lines.Add(' Vmed = '+FloatToStrF(VtVEficaz[3],ffExponent,18,2));
MmResultados.Lines.Add(' Erro da média = '+FloatToStrF(ErroMedio,ffExponent,18,2)+'%');
MmResultados.Lines.Add('');
// Apresentando os resultados de corrente
MmResultados.Lines.Add('');
MmResultados.Lines.Add('--- Correntes de linha ---');
MmResultados.Lines.Add('');
for i:=0 to 2 do
begin
ErroParcial:=(VtIEficaz[i]-Ieficaz)*100/Ieficaz;//Erro percentual de cada sinal de tensão
MmResultados.Lines.Add(' I'+IntToStr(i)+' = '+FloatToStrF(VtIEficaz[i],ffExponent,18,2));
MmResultados.Lines.Add(' ErroParc = '+FloatToStrF(ErroParcial,ffExponent,18,2)+'%');
end;
MmResultados.Lines.Add('');
MmResultados.Lines.Add('Média aritmética das correntes');
MmResultados.Lines.Add('');
VtIEficaz[3]:=(VtIEficaz[0]+VtIEficaz[1]+VtIEficaz[2])/3;//Na posição "7" desse vetor é
guardada a média entre as três tensões calculadas anteriormente
89
ErroMedio:=(VtIEficaz[3]-Ieficaz)*100/Ieficaz;//Erro percentual da média das tensões
MmResultados.Lines.Add(' Imed = '+FloatToStrF(VtIEficaz[3],ffExponent,18,2));
MmResultados.Lines.Add(' Erro da média = '+FloatToStrF(ErroMedio,ffExponent,18,2)+'%');
MmResultados.Lines.Add('');
// Apresentando os resultados de potência
MmResultados02.Lines.Add('');
MmResultados02.Lines.Add('--- Potência por fase ---');
MmResultados02.Lines.Add('');
for i:=0 to 2 do
begin
ErroParcial:=(VtPEficaz[i]-Peficaz)*100/Peficaz;
MmResultados02.Lines.Add(' P'+IntToStr(i)+' =
'+FloatToStrF(VtPEficaz[i],ffExponent,18,2));
MmResultados02.Lines.Add(' ErroParc = '+FloatToStrF(ErroParcial,ffExponent,18,2)+'%');
end;
MmResultados02.Lines.Add('');
MmResultados02.Lines.Add('Potência total');
MmResultados02.Lines.Add('');
VtPEficaz[3]:=(VtPEficaz[0]+VtPEficaz[1]+VtPEficaz[2]);
ErroMedio:=(VtPEficaz[3]-(3*Peficaz))*100/(3*Peficaz);
MmResultados02.Lines.Add(' Ptotal = '+FloatToStrF(VtPEficaz[3],ffExponent,18,2));
MmResultados02.Lines.Add(' Erro da média = '+FloatToStr(ErroMedio)+'%');
MmResultados02.Lines.Add('');
MmResultados02.Lines.Add('Número de pontos: '+IntToStr(nAmostra));
MmResultados02.Lines.Add('Tensão de referência(fase): '+FloatToStrF(Veficaz,ffExponent,18,2));
MmResultados02.Lines.Add('Corrente de referência(linha):
'+FloatToStrF(Ieficaz,ffExponent,18,2));
MmResultados02.Lines.Add('Potência de referência(total):
'+FloatToStrF((3*Peficaz),ffExponent,18,2));
MmResultados02.Lines.Add('Período: '+FloatToStr(Periodo));
MmResultados02.Lines.Add('Sfactor: '+IntToStr(Sfactor));
MmResultados02.Lines.Add('Intervalo de amostragem:
'+FloatToStrF(DeltaT_Amostrado,ffExponent,18,2));
end;
//==============================================================================
//==============================================================================
Código fonte da adaptação para o Matlab
®
:
%--- Adaptaçao do algoritmo que gera os conjuntos de pontos de tensao, corrente e potencia e
efetua os calculos
clear all; clc; format long;
%--- Atribuindo valores as variaveis utilizadas pelo algoritmo
Veficaz=220; % Tensao de referencia
Ieficaz=20; % Corrente de referencia
w=2*3.14159265358979*60; % Omega para uma rede de 60 Hz
Ampl=(2^0.5)*Veficaz; % Amplitude do sinal de tensao
Ampl1=(2^0.5)*Ieficaz; % Amplitude do sinal de corrente
Pativa=Veficaz*Ieficaz; % Potencia ativa
t=0; % tempo
SFactor=20; % Fator que multiplica o intervalo de amostragem base
Periodo=83.33333333e-3; % Periodo analisado, corresponde a, aproximadamente, cinco períodos de
onda de 60 Hz
DeltaT=SFactor*2.929687500e-6; % Intervalo de amostragem
n=round(Periodo/(DeltaT)); % Numero de pontos que sera gerado
%--- Este laço cria os vetores de tensao, corrente e potencia instantaneos
for ia=1:n
% Vetores de tensao
VtVa(ia)=(round(Ampl*sin(w*(t))*10e4))/10e4;
VtVb(ia)=(round(Ampl*sin(w*(t)+2*3.14159265358979/3)*10e4))/10e4;
VtVc(ia)=(round(Ampl*sin(w*(t)+4*3.14159265358979/3)*10e4))/10e4;
% Vetores de corrente
90
VtIa(ia)=(round(Ampl1*sin(w*(t))*10e4))/10e4;
VtIb(ia)=(round(Ampl1*sin(w*(t)+2*3.14159265358979/3)*10e4))/10e4;
VtIc(ia)=(round(Ampl1*sin(w*(t)+4*3.14159265358979/3)*10e4))/10e4;
% Vetores de potencia
VtPa(ia)=(round(VtVa(ia)*VtIa(ia)*10e4))/10e4;
VtPb(ia)=(round(VtVb(ia)*VtIb(ia)*10e4))/10e4;
VtPc(ia)=(round(VtVc(ia)*VtIc(ia)*10e4))/10e4;
% A cada passagem, "t" é incrementado de "Intervalo"
t=t+(DeltaT);
end;
tic;
%--- Determinaçao das tensoes e correntes efizes e das potencias ativas
% Determinaçao dos somatorios
Soma=0; Soma1=0; Soma2=0;
SomaI=0; SomaI1=0; SomaI2=0;
SomaP=0; SomaP1=0; SomaP2=0;
for ia=1:n
% Fase A
A=(VtVa(ia))^2;
AI=(VtIa(ia))^2;
AP=VtPa(ia);
Soma=Soma+A;
SomaI=SomaI+AI;
SomaP=SomaP+AP;
% Fase B
A1=(VtVb(ia))^2;
AI1=(VtIb(ia))^2;
AP1=VtPb(ia);
Soma1=Soma1+A1;
SomaI1=SomaI1+AI1;
SomaP1=SomaP1+AP1;
% Fase C
A2=(VtVc(ia))^2;
AI2=(VtIc(ia))^2;
AP2=VtPc(ia);
Soma2=Soma2+A2;
SomaI2=SomaI2+AI2;
SomaP2=SomaP2+AP2;
end;
% Determinaçao das tensoes eficazes
Va_Eficaz=(Soma/n)^0.5; %Valor eficaz, calculado a partir dos dados amostrados
Vb_Eficaz=(Soma1/n)^0.5; %Valor eficaz, calculado a partir dos dados amostrados
Vc_Eficaz=(Soma2/n)^0.5; %Valor eficaz, calculado a partir dos dados amostrados
% Determinaçao das correntes eficazes
Ia_Eficaz=(SomaI/n)^0.5; %Valor eficaz, calculado a partir dos dados amostrados
Ib_Eficaz=(SomaI1/n)^0.5; %Valor eficaz, calculado a partir dos dados amostrados
Ic_Eficaz=(SomaI2/n)^0.5; %Valor eficaz, calculado a partir dos dados amostrados
% Determinaçao das potencias ativas
Pa_Eficaz=SomaP/n; %Valor eficaz, calculado a partir dos dados amostrados
Pb_Eficaz=SomaP1/n; %Valor eficaz, calculado a partir dos dados amostrados
Pc_Eficaz=SomaP2/n; %Valor eficaz, calculado a partir dos dados amostrados
tempo=toc
DeltaT
n
APÊNDICE C
A Equação 3.10 é deduzida observando-se o diagrama apresentado na Figura C.1, neste
diagrama pode-se visualizar o esquema de conexão em estrela das bobinas de um motor de
indução trifásico, onde I
a
, I
b
e I
c
correspondem as correntes eficazes entrando nos terminais de
alimentação do motor, marcados com as letras “a”, “b” e “c” e R
a
, R
b
e R
c
suas respectivas
resistências.
Figura C.1 – Diagrama da conexão em estrela das bobinas de um motor de indução trifásico.
Considerando-se que o motor esteja em perfeito estado de funcionamento não haverá
desequilíbrio de resistência entre suas bobinas e, conseqüentemente, a diferença de resistência
entre as bobinas será desprezível. Logo, pode-se afirmar que as resistências das bobinas terão
mesmo valor e equivalerão à metade da resistência de linha medida. Pela maneira clássica,
utilizando-se a Equação 3.9 aplicada ao esquema exposto na Figura C.1, tem-se:
ccbbaaEJC
RIRIRIP ...
222
++=
(C.1)
No entanto, para simplificar os cálculos substitui-se cada uma das correntes Ia, Ib e Ic, pela
média aritmética das três e cada uma das resistências pela metade do valor da resistência de linha
medida. Efetuando-se as substituições na Equação C.1 e efetuando-se as simplificações, tem-se:
92
RI
R
I
R
I
R
IP
EJC
..5,1
2
.
2
.
2
.
2222
=++=
(C.2)
Para um motor ligado em triângulo, como visto no diagrama da Figura C.2, o cálculo da
potência total dissipada no motor por aquecimento devido a efeito joule também pode ser
calculada pela da Equação 3.10.
Figura C.2 – Diagrama da conexão em triângulo das bobinas de um motor de indução trifásico
Com um raciocínio semelhante ao da dedução da Equação 3.10 para um motor ligado em
estrela pode-se demonstrar que a mesma equação pode ser utilizada para um motor ligado em
triângulo, apenas algumas considerações quanto às relações entre corrente de linha e corrente da
bobina e resistência média de linha e resistência da bobina precisam ser feitas.
Considerando-se que os valores eficazes das correntes I
ab
, I
bc
e I
ca
, Figura C.2, são iguais
entre si e iguais ao produto da corrente média de linha pela raiz quadrada de três, que a
resistência de cada bobina equivale a três meios da resistência média de linha – valor calculado
por resistência equivalente – e substituindo-se esses valores na Equação 3.9, tem-se:
RI
RIRIRI
P
EJC
..5,1
2
.3
.
3
2
.3
.
3
2
.3
.
3
2
222
=
+
+
=
(C.3)
APÊNDICE D
O analisador de energia pode entregar os valores eficazes de tensão, corrente e potência,
calculados por seu sistema, através de amostras gravadas em sua memória interna. Estas amostras
podem ser entregues ao programa sem passar por nenhum processamento. Por meio do seu
transdutor interno pode efetuar leituras dos sensores de força e velocidade, instalados no
dinamômetro. O analisador tem uma taxa de amostragem máxima de 2
10
/3 kHz
(aproximadamente, 341,333 kHz), que corresponde a uma leitura a cada 2,9296875 E-06 s,
quando configurado para operar em sua capacidade máxima.
Estes dados podem ser transmitidos para um computador por meio de uma porta serial de
padrão elétrico RS232, com uma velocidade máxima de 115200 bauds (LEM, 2006).
Cada canal de tensão possui entradas de fase e neutro. Desta forma, para medições a três
fios será necessária a utilização de um adaptador com neutro virtual, que pode ser visto na
Figura D.1.
Figura D.1 – Adaptador para neutro virtual.
94
Devido a essa característica, as leituras instantâneas de tensão são de fase, logo, para
determinar as tensões de linha, cálculos são necessários. Na Figura D.2 é possível visualizar
como ficam as conexões entre o analisador de energia, o adaptador para neutro virtual e as pontas
de prova. Os canais de tensão suportam no máximo 1000 V e os de corrente 10 A, logo,
transformadores de corrente serão aplicados, com relações 3000/1000/500/300/150/50/25/15 A
com saída no secundário igual a cinco ampères.
Figura D.2 – O adaptador para neutro virtual conectado ao analisador de energia.
ANEXO A
96
97
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