UNIVERSIDADE POSITIVO
NÚCLEO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
ENGENHARIA ELÉTRICA
Carlos Henrique Palma Kotinda
Felipe Kotowski Wantuk
MEDIÇÃO DA RESISTÊNCIA DE ISOLAMENTO DE MOTORES DE
INDUÇÃO TRIFÁSICOS DE ATÉ 100 CV
Curitiba, 2008
Carlos Henrique Palma Kotinda
Felipe Kotowski Wantuk
MEDIÇÃO DA RESISTÊNCIA DE ISOLAMENTO DE MOTORES DE
INDUÇÃO TRIFÁSICOS DE ATÉ 100 CV
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado ao Curso de Engenharia
Elétrica, da Universidade Positivo, para
obtenção de avaliação da disciplina de
Trabalho de Conclusão de Curso (TCC),
como requisito à obtenção do grau de
Engenheiro Eletricista, sob a orientação da
Profa. Ana Cristina Fermino.
Curitiba, 2008
Dedicamos este trabalho a nossas famílias e a todos
nossos amigos que nos acompanharam nesta grande
jornada rumo ao sucesso.
Agradecemos primeiro a Deus pela benção da
sabedoria a nós dispensada, por nos dar força e
paciência para a superação dos obstáculos.
Agradecemos nossas famílias e amigos por
permanecerem ao nosso lado em todos os momentos.
“Não se pode ensinar alguma coisa a alguém, podese apenas auxiliar a descobrir por si mesmo.“
Galileu Galilei
RESUMO
O presente trabalho teve como objetivo construir um equipamento para
medição da resistência de isolamento de um motor de indução trifásico, que fornece um
relatório com o diagnóstico das condições deste, baseado no índice de polarização e
índice de absorção. O equipamento será muito útil, principalmente, quando se necessita
de diagnósticos rápidos em motores instalados no chão de fábrica. Serão realizadas
também medições de tensão, corrente elétrica, potência elétrica, temperatura e velocidade
do motor em rotações por minuto (RPM). As medições e resultados respeitarão
completamente as normas regulamentadoras vigentes.
Palavras-chave: Resistência de Isolamento, Diagnóstico, Motor de Indução
Trifásico.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Variação da resistência de isolamento com o tempo para enrolamentos
classe B ........................................................................................................... 16
Figura 2 – Diagrama em blocos.........................................................................................20
Figura 3 – Circuito medidor de temperatura .....................................................................24
Figura 4 – Circuito medidor de corrente elétrica...............................................................25
Figura 5 – Circuito medidor de tensão ..............................................................................26
Figura 6 – Circuito medidor de velocidade .......................................................................27
Figura 7 – Fonte de alimentação de 500 VCC ....................................................................28
Figura 8 – Circuito medidor da resistência de isolamento ................................................29
Figura 9 – Fluxograma de funcionamento.........................................................................32
Figura 10 – Tela 1, 2, 3 e tela de diagnóstico do display ..................................................33
Figura 11 – Gráfico da temperatura versus tensão gerada.................................................36
Figura 12 – Gráfico da corrente elétrica versus tensão gerada – 1º ganho........................38
Figura 13 – Gráfico da corrente elétrica versus tensão gerada – 2º ganho........................40
Figura 14 – Gráfico da tensão medida versus tensão rebaixada........................................43
Figura 15 – Layout das trilhas da PCI responsável pela manipulação de todas
variáveis medidas....................................................................................... 47
Figura 16 – Layout dos componentes eletrônicos da PCI responsável pela
manipulação de todas variáveis medidas................................................. 48
Figura 17 – Circuito eletrônico da fonte de 500 Vcc ........................................................59
Figura 18 – Circuito eletrônico do microcontrolador PIC 18F452 ...................................60
Figura 19 – Circuito eletrônico do amplificador operacional, display e ganho de
corrente......................................................................................................... 61
Figura 20 – Circuito eletrônico fonte de alimentação do equipamento.............................62
Figura 21 – Circuito eletrônico do tacômetro....................................................................62
Figura 22 – Circuito eletrônico do medidor de tensão e relé de aplicação de 500 Vcc ....63
Figura 23 – Circuito eletrônico dos relés das três escalas de resistência de isolamento ...64
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 – Índice de Polarização......................................................................................18
Quadro 2 – Índice de Absorção .........................................................................................18
Quadro 3 – Cronograma ....................................................................................................33
Quadro 4 – Relação entre temperatura e tensão gerada.....................................................35
Quadro 5 – Relação entre corrente elétrica e tensão gerada – 1º ganho............................37
Quadro 6 – Relação entre corrente elétrica e tensão gerada – 2º ganho............................39
Quadro 7 – Relação entre tensão medida e tensão rebaixada............................................42
Quadro 8 – Contador de rotação........................................................................................43
Quadro 9 – Relação da Fonte de 500 VCC .........................................................................44
Quadro 10 – Relação entre Resistência de Isolamento Medida e Tensão Gerada no
Resistor Padrão............................................................................................. 44
Quadro 11 – Despesa com componentes e materiais utilizados no projeto.......................50
Quadro 12 – Despesa com serviços contratados para o projeto ........................................51
Quadro 13 – Resistência de isolamento entre bobina e carcaça no motor 1. ....................54
Quadro 14 – Resistência de isolamento entre bobinas no motor 1....................................55
Quadro 15 – Resistência de isolamento entre bobina e carcaça no motor 2 .....................55
Quadro 16 – Resistência de isolamento entre bobinas no motor 2....................................56
LISTA DE SÍMBOLOS / ABREVIATURAS / SIGLAS
A
- Ampère
ABNT
- Associação Brasileira de Normas Técnicas
AmpOp - Amplificador Operacional
AV
- Ganho de tensão
C
- Capacitância
CA
- Corrente Alternada
CC
- Corrente Contínua
CI
- Circuito Integrado
CV
- Cavalo Vapor
°C
- grau Celsius
f
- freqüência
F
- Faraday
f.e.m
- Força eletro-motriz
G
- Giga
Hz
- Hertz
IP
- Índice de Polarização
k
- quilo
LCD
- Display Cristal Líquido (Liquid Crystal Display)
LED
- Diodo Emissor de Luz (Light Emitting Diode)
min
- minuto
mV
- mili Volt
NBR
- Norma Brasileira Regulamentadora
R
- Resistência
Rm
- Resistência de isolamento do Motor
RPM
- Rotações por Minuto
V
- Volt
VCA
- Tensão de Corrente Alternada
VCC
- Tensão de Corrente Contínua
TC
- Transformador de Corrente
TTL
- Transistor-Transistor Logic
Ω
- Ohm
µ
- micro
SUMÁRIO
1
INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 12
1.1
PROBLEMA ............................................................................................................ 12
1.2
JUSTIFICATIVA ..................................................................................................... 12
1.3
OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................................... 13
1.3.1 Ensaios com o Motor Desligado........................................................................... 13
1.3.2 Ensaios com o Motor em Funcionamento ............................................................ 14
2
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA................................................................................. 15
2.1
RESISTÊNCIA DE ISOLAMENTO........................................................................ 15
2.1.1 Índice de Polarização e Absorção......................................................................... 16
2.1.2 Classe de Isolamento e Temperatura .................................................................... 18
3
ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS PRELIMINARES ................................................. 20
3.1
VISÃO GERAL DO PROJETO ............................................................................... 20
3.2
DESCRIÇÃO FUNCIONAL DOS BLOCOS .......................................................... 21
3.2.1 Bloco 1 – Motor.................................................................................................... 21
3.2.2 Bloco 2 – Grandezas Medidas .............................................................................. 22
3.2.3 Bloco 3 – Processamento e Controle.................................................................... 23
3.3
DIMENSIONAMENTO E MEMORIAL DE CÁLCULO ....................................... 23
3.3.1 Circuito de Medição de Temperatura ................................................................... 24
3.3.2 Circuito de Medição de Corrente Elétrica ............................................................ 25
3.3.3 Circuito de Medição de Tensão ............................................................................ 26
3.3.4 Circuito de Medição de Velocidade ..................................................................... 27
3.3.5 Fonte de Alimentação de 500 VCC........................................................................ 28
3.3.6 Circuito de Medição da Resistência de Isolamento.............................................. 29
3.4
PROGRAMAÇÃO ................................................................................................... 31
3.4.1 Descrição Geral .................................................................................................... 31
3.4.2 Planejamento ........................................................................................................ 33
4
IMPLEMENTAÇÃO ..................................................................................................... 34
4.1
DESCRIÇÃO DA MONTAGEM............................................................................. 34
4.2
TESTES, MEDIÇÕES E CONFIGURAÇÕES ........................................................ 34
4.2.1 Circuitos de Medição (Hardware)........................................................................ 35
4.3
CÓDIGO FONTE ..................................................................................................... 45
4.4
PLACAS DE CIRCUITO IMPRESSO..................................................................... 47
4.5
CUSTOS DO PROJETO .......................................................................................... 49
4.5.1 Componentes e Materiais ..................................................................................... 49
4.5.2 Serviços Contratados ............................................................................................ 51
5
RESULTADOS ............................................................................................................... 52
5.1
MEDIÇÃO DE TEMPERATURA ..................................................................................... 52
5.2
MEDIÇÃO DE CORRENTE ELÉTRICA ............................................................................ 52
5.3
MEDIÇÃO DE TENSÃO ................................................................................................ 53
5.4
MEDIÇÃO DE VELOCIDADE ........................................................................................ 53
5.5
MEDIÇÃO DA RESISTÊNCIA DE ISOLAMENTO .............................................................. 53
5.5.1 Ensaio no Motor Trifásico 1................................................................................. 54
5.5.2 Ensaio no Motor Trifásico 2................................................................................. 55
6
CONSIDERAÇÕES FINAIS......................................................................................... 57
REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 58
ANEXOS ................................................................................................................................. 59
12
1
INTRODUÇÃO
A razão de se construir um equipamento que mede a resistência de isolamento, os
problemas existentes globalmente e como é possível a construção deste equipamento são itens
que são detalhados nos tópicos a seguir.
1.1
PROBLEMA
Motores trifásicos de indução são muito utilizados em indústrias, residências e
edifícios, sendo de grande importância que estes se mantenham em boas condições de
funcionamento.
Todo motor sofre desgastes devido ao tempo de uso, umidade do ar, sujeira no
ambiente, atritos, erros de fabricação, entre outros problemas. Diagnosticar um defeito ou a
real condição de um motor não é um problema de solução fácil. Identificar preventivamente
possíveis falhas de funcionamento poderá, entre outros benefícios, aumentar a vida útil destes
equipamentos. O diagnóstico deve ser possível tanto para motores em funcionamento como,
também, para motores na bancada de testes.
1.2
JUSTIFICATIVA
Simplificar o processo de ensaio e diagnóstico de um motor trifásico de indução é
importante. Em geral, o mesmo está localizado em ambientes de acesso difícil, sendo um item
de preço elevado e que exige mão de obra especializada em sua manutenção. Já o diagnóstico
exige equipamentos com custo elevado de aquisição e, além disto, é em geral muito
dependente do operador. Este trabalho tem como objetivo a construção de um aparelho que
possibilite a realização de testes em motores de indução trifásicos de até 100 CV e que seja,
13
ao mesmo tempo, de fácil operação e de baixo custo. Requisitos de portabilidade e autonomia
também deverão ser observados neste tipo de equipamento. Assim, sendo o equipamento
portátil e autônomo, espera-se com o mesmo tornar os procedimentos de manutenção e
diagnóstico mais precisos e com menor custo operacional.
1.3
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
O objetivo deste projeto é desenvolver um equipamento de medição e diagnóstico
da resistência de isolamento de motores de indução trifásicos de até 100 CV. As medições
realizadas por este equipamento respeitarão as normas da Associação Brasileira de Normas
Técnicas (ABNT) relativas a ensaios. Como será portátil, o equipamento permitirá a
visualização dos valores coletados em um display.
Pretende-se que o equipamento seja capaz de efetuar grupos de ensaios, descritos
a seguir, nos motores sob análise com os mesmos desligados e em funcionamento.
1.3.1
Ensaios com o Motor Desligado
Neste grupo de ensaios de resistência de isolamento, o equipamento medirá as
seguintes grandezas:
− resistência de isolamento;
− curto-circuito entre bobinas;
− temperatura da carcaça;
− curto-circuito entre a bobina e a massa;
− continuidade de cada bobina.
14
Ao final do processo de medição, o equipamento emitirá um relatório indicando o
diagnóstico do motor, inclusive o índice de polarização e índice de absorção que indicam se o
motor está seco, úmido, sujo ou limpo.
1.3.2
Ensaios com o Motor em Funcionamento
Neste grupo de ensaios, o equipamento medirá as seguintes grandezas:
− corrente consumida;
− tensão de linha;
− potência consumida;
− temperatura da carcaça;
− velocidade de rotação.
Os valores medidos serão atualizados em tempo real e não haverá emissão de
relatório.
15
2
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Diversos são os fatores que diagnosticam a real condição de um motor trifásico.
Resistência de isolamento é um fator importante. Não basta obter somente o valor desta
resistência, é necessário o cálculo de índices que indicam se esta resistência é ideal ou não
está em conformidade com o especificado em norma. Temperatura, classe de isolação,
material utilizado também influenciam na resistência de isolamento e estes itens são
abordados a seguir.
2.1
RESISTÊNCIA DE ISOLAMENTO
É útil para a constatação de que o motor está em condições seguras de
funcionamento, em relação à isolação dos fios das bobinas, sendo confiável, pois torna
possível a detecção de qualquer falha na isolação entre bobinas e entre bobinas e massa.
O ensaio para a medição da resistência de isolamento de um motor de indução é
realizado sob condições específicas. É o parâmetro, geralmente, utilizado para definir o
quociente da tensão contínua, aplicada pela corrente, em função do tempo medido a partir da
aplicação de tensão. Neste ensaio, um valor de referência à resistência de isolamento deve ser
encontrado para um intervalo de tempo de um minuto a 10 minutos. Um equipamento para
uso nacional deve seguir as normas da ABNT correspondentes. A razão de se medir esta
resistência é que ela serve para indicar o estado do enrolamento, através da indicação de
valores mínimos recomendados, e para a obtenção do índice de polarização e absorção.
16
2.1.1
Índice de Polarização e Absorção
Índice de polarização é a razão entre o valor da resistência de isolamento para 10
min. e o valor da resistência para um min. Este índice auxilia na verificação da situação do
motor ensaiado, ou seja, se o mesmo está limpo ou sujo. Índice de absorção é a razão entre o
valor da resistência de isolamento para um min. e o valor da resistência para 30 segundos.
Este indica se o motor está seco ou úmido. Cada motor possui uma curva da variação da
resistência em função do tempo quando aplicada uma tensão, curva que é padronizada e deve
ser respeitada. O índice de polarização e absorção é indicativo da inclinação desta curva.
Fonte: NBR 5383-1, 2002
Figura 1 – Variação da resistência de isolamento com o tempo para enrolamentos classe B
A resistência de isolamento de um enrolamento aumenta, normalmente, com a
duração de aplicação da tensão contínua de ensaio. O aumento geralmente é rápido no início
17
da aplicação da tensão e as leituras gradualmente se aproximam de um valor praticamente
constante, na medida em que o tempo decorre.
O valor da resistência para um minuto é útil para avaliar o estado da isolação
quando comparações são feitas com dados anteriores e posteriores, obtidos de modo
semelhante. Em um motor com enrolamento seco e limpo um valor praticamente constante de
resistência de isolamento é alcançado num intervalo de tempo entre 10 e 15 minutos, e esta é
a razão do índice de polarização utilizar a relação de 10 min. e um min. Caso o enrolamento
esteja úmido ou sujo, este valor é geralmente alcançado em um minuto ou dois minutos após a
tensão de ensaio ser aplicada. A seguir, é apresentada a equação para cálculo do índice de
polarização e índice de absorção, que é a relação da resistência medida em 10 minutos e a
resistência medida em um minuto e a relação da resistência medida em um minuto e a
resistência medida em 30 segundos, respectivamente:
Ip =
R10 min
R1 min
Ia =
R1min
R30 seg
Onde:
− Ip é o índice de polarização;
− Ia é o índice de absorção;
− R10 min é a resistência de isolamento medida no instante 10 minutos;
− R1 min é a resistência de isolamento medida no instante um minuto;
− R30seg é a resistência de isolamento medida no instante 30 segundos.
A seguir é apresentado o quadro com a característica de um motor de indução
trifásico baseado em sue índice de polarização.
18
ENTRE
ENTRE
ENTRE
ENTRE
ENTRE
MAIOR QUE
Fonte: NBR 5383-1, 2002
ÍNDICE DE POLARIZAÇÃO
0,0
1,0
1,0
1,5
1,5
2,0
2,0
3,0
3,0
4,0
4,0
---
PERIGOSO
POBRE
QUESTIONÁVEL
CONFIÁVEL
BOM
EXCELENTE
Quadro 1 – Índice de Polarização
A seguir, é apresentado o quadro com a característica de um motor de indução
trifásico baseado em sue índice de absorção.
ENTRE
ENTRE
ENTRE
ENTRE
ENTRE
MAIOR QUE
Fonte: NBR 5383-1, 2002
2.1.2
ÍNDICE DE ABSORÇÃO
0,00
1,00
1,00
1,10
1,10
1,25
1,25
1,40
1,40
1,60
1,60
---
PERIGOSO
POBRE
QUESTIONÁVEL
CONFIÁVEL
BOM
EXCELENTE
Quadro 2 – Índice de Absorção
Classe de Isolamento e Temperatura
A resistência de isolamento na maioria dos materiais varia inversamente com a
temperatura, sendo que o limite da mesma depende do tipo de material empregado. Para fins
de normalização, os materiais isolantes e os sistemas de isolamento são agrupados em classe
de isolamento. As classes são: A (105 ºC), E (120 ºC), B (130 ºC), F (155 ºC) e H (180 ºC),
conforme a Norma Brasileira Regulamentadora (NBR) 7094, 2000.
19
A temperatura ambiente para ensaio é de no máximo 40 ºC conforme a norma e
acima disso, as condições são consideradas especiais. A melhor forma de se medir a
temperatura nos enrolamentos de um motor é pelo método da resistência. Com sensores de
temperatura não se sabe se o ponto de medição é o mais quente, pois a temperatura varia de
um ponto a outro. Se o valor de temperatura desejada não necessita ser totalmente preciso, o
uso de um sensor é suficiente. Quando são realizados ensaios e há a necessidade de
comparação da resistência de isolamento, é preciso fazer a correção de temperatura para 40
ºC. A norma NBR 5383-1, 2002, contém a tabela de conversão de temperatura.
20
3
ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS PRELIMINARES
Os itens a seguir apresentam a visão geral, a descrição funcional de cada bloco, o
dimensionamento e o memorial de cálculo, bem como a programação para o desenvolvimento
do projeto.
3.1
VISÃO GERAL DO PROJETO
Na figura 2 é apresentado o diagrama em blocos do projeto proposto.
Fonte: própria, 2008
Figura 2 – Diagrama em blocos
21
O sinal de temperatura coletado é analógico. Este sinal de tensão é amplificado
para valores de zero a cinco V e enviado para uma entrada analógica do microcontrolador. A
corrente consumida pelo motor é medida em uma faixa de zero a 1000 A e a converte em
uma tensão de zero a um V, proporcionalmente. Esta tensão é amplificada para valores de
zero a cinco V e enviada para outra entrada analógica do microcontrolador. A medição de
tensão é feita com a utilização de um transformador de potencial de entrada 500 VCA e saída
5 VCA. Esta tensão é retificada e enviada a uma entrada analógica do microcontrolador. A
velocidade é medida em RPM, é captada e transmitida através de pulsos em nível TTL para
uma entrada digital do microcontrolador. Para a obtenção da resistência de isolamento o
microcontrolador aciona uma fonte de 500 VCC que aplica esta tensão no motor. A resistência
de isolamento é calculada a partir dos valores de tensão medidos em resistências padrão,
utilizadas em um circuito divisor de tensão. Todas as grandezas medidas são mostradas num
display de cristal líquido (LCD). Para o acesso do operador a algumas opções do
equipamento, são disponibilizados botões de pulso e também de retenção.
3.2
DESCRIÇÃO FUNCIONAL DOS BLOCOS
A função de cada bloco apresentado na figura 2 é descrita a seguir.
3.2.1
Bloco 1 – Motor
É o motor de indução trifásico que será ensaiado.
22
3.2.2
Bloco 2 – Grandezas Medidas
As cinco grandezas medidas neste bloco são descritas a seguir.
− Temperatura: o circuito amplifica o sinal de tensão gerado pelo LM35. Este C.I. gera uma
f.e.m. de 10 mV/ºC, medindo temperaturas de –55 ºC até 150 ºC. O comportamento do
LM35 é linear em todas as faixas de temperatura, portanto o microcontrolador possui um
algoritmo para conversão de mV para ºC. O circuito é projetado para valores de
temperatura de zero a 150 ºC. A saída deste circuito fornece valores de tensão de zero a
cinco VCC, necessários ao microcontrolador;
−
Corrente: é um circuito que amplifica e retifica tensão. Recebe de uma garra de corrente
um sinal de tensão de zero a um V e amplifica-o para sinais de zero a cinco VCC. O
comportamento da garra de corrente é linear, portanto, a saída de tensão do circuito
também é linear. O sinal recebido e gerado pela garra é analógico e alternado, sendo
necessário retificá-lo porque a entrada analógica do microcontrolador só recebe sinais
contínuos;
− Tensão: é o circuito responsável por medir a tensão de uma linha e fase. É possível medir
qualquer rede em até 500 VCA, não somente a tensão do motor. Para que sejam feitas as
medições, este circuito utiliza um transformador de potencial que reduz o nível de tensão
de 500 V para cinco V. A tensão de saída pode variar de zero a cinco VCC,
proporcionalmente à entrada de zero a 500 V e compatíveis com a entrada analógica do
microcontrolador;
− Velocidade: para definir-se a velocidade de um motor, são contados os números de pulsos
de tensão enviados por um fototransistor polarizado por um fotodiodo. O circuito deste
bloco recebe os pulsos emitidos pelo fototransistor e os transmite para uma entrada digital
do microcontrolador. Cada volta do eixo do motor corresponde a um pulso;
− Resistência de Isolamento: este bloco coleta a tensão no resistor divisor de tensão (ver
item 3.3.6), valores de zero a cinco VCC, enviando este sinal a uma entrada analógica do
microcontrolador. Este valor de tensão é fundamental para o cálculo da resistência de
isolamento. Baseado neste valor de tensão e conhecendo esta resistência padrão, o
23
microcontrolador calculará a resistência de isolamento baseada também no valor de tensão
aplicada no motor ensaiado.
3.2.3
Bloco 3 – Processamento e Controle
Este bloco é constituído por quatro circuitos, descritos a seguir.
− Microcontrolador: é onde todos os sinais recebidos, dos blocos já citados, são processados.
Todo o controle do equipamento é realizado neste circuito. O microcontrolador é
responsável pelos cálculos da resistência de isolamento, da corrente elétrica, da potência
consumida, da tensão medida, da velocidade do motor e da temperatura medida e também,
pelo diagnóstico das condições do motor, índice de polarização e índice de absorção.
Envia, ainda, todos estes valores calculados a um display para que possam ser
visualizados. Os sinais dos botões que transmitem os comandos do operador também são
recebidos por ele;
− Fonte de 500 VCC: gera a tensão a ser aplicada ao motor de indução para que seja feito o
ensaio de resistência de isolamento. A fonte somente aplica os 500 VCC quando solicitado
pelo microcontrolador;
− Teclado: é neste que o operador envia o comando para ligar o equipamento e iniciar os
testes. Envia sinais digitais de nível TTL para o microcontrolador;
− Display: permite a visualização das variáveis medidas e do diagnóstico gerado. Ou seja, é
a interface gráfica com o operador e recebe sinais digitais do microcontrolador. O display
utilizado é do tipo LCD que possui quatro linhas e 16 colunas.
3.3
DIMENSIONAMENTO E MEMORIAL DE CÁLCULO
A constituição dos circuitos que compõem os blocos já apresentados é detalhada a
seguir.
24
3.3.1
Circuito de Medição de Temperatura
O circuito que realizará a medição de temperatura ambiente ou de qualquer
superfície até 150 ºC é mostrado na figura 3.
Fonte: própria, 2008
Figura 3 – Circuito medidor de temperatura
O LM35 é o responsável pela transdução de temperatura em sinal de tensão. Foi
utilizado devido o sinal de saída já ser linearizado. O sinal é amplificado pelo LM324 para
poder ser utilizado com maior precisão pelo microcontrolador PIC que fará o processamento
do sinal. O LM324 é utilizado, pois possui quatro Amplificadores Operacionais (AmpOp)
integrados que serão usados no projeto. A seguir, calcula-se o ganho destes AmpOp.
Av = 1 +
2,4k
1k
Av = 3,4
25
O LM35 mede até 150 ºC gerando um valor de tensão de 1,5 V, respectivamente.
Amplificando este sinal em 3,4 vezes, resultará um valor de 5,1 V, que é o valor máximo de
leitura do microcontrolador PIC. O diodo Zener serve como garantia de que a tensão na
entrada do PIC não será superior a cinco VCC.
3.3.2
Circuito de Medição de Corrente Elétrica
Para a medição da corrente consumida por um motor de até 100 CV em
funcionamento, é utilizado o circuito da figura 4.
Fonte: própria, 2008
Figura 4 – Circuito medidor de corrente elétrica
A maior corrente consumida por um motor trifásico de 100 CV é na energização
em 220 V, com um consumo de 250 A. O responsável pela transdução da corrente em valores
de tensão é uma garra de corrente, muito acessível comercialmente, que gera um mV/A. O
sinal é amplificado para valores maiores que podem ser medidos com multímetros
convencionais. A amplificação é feita para valores de até cinco VCC com um diodo Zener na
26
saída, garantindo que não haverá mais do que cinco VCC. O circuito possui uma chave
seletora, pois se for gerado um sinal de zero a cinco VCC proporcional a uma corrente de zero
a 250 A, a medição de valores de corrente menores do que 50 A seria feita com pouca
precisão. Esta seleção altera o ganho do amplificador, que é calculo da seguinte maneira:
1) Com a chave em 20 kΩ (para correntes de até 250 A):
Av = 1 +
20k
1k
Av = 21
2) Com a chave em 500 kΩ (para correntes de até 10 A):
Av = 1 +
500k
1k
Av = 501
3.3.3
Circuito de Medição de Tensão
Para se medir tensão entre dois pontos, o PIC recebe o sinal dos terminais B3 e B4
da figura 5 a seguir.
Fonte: própria, 2008
Figura 5 – Circuito medidor de tensão
27
Este circuito é capaz de medir tensões de até 500 VCA. As pontas de provas são
conectadas nos terminais B1 e B2 do transformador com relação 500:5. Qualquer valor de
tensão medido de até 500 VCA é transformado em um valor de tensão de zero a cinco V, que é
retificada pela ponte de diodos, filtrada pelo capacitor e enviada para uma entrada analógica
do PIC. O diodo Zener garante a não ultrapassagem de cinco VCC.
3.3.4
Circuito de Medição de Velocidade
A velocidade do motor testado será medida em RPM. Uma entrada digital do
microcontrolador PIC receberá pulsos de cinco VCC como referência de rotação. O circuito
que gera estes pulsos é apresentado a seguir.
Fonte: própria, 2008
Figura 6 – Circuito medidor de velocidade
O fototransistor L14G1 é polarizado pela luz emitida por um LED. A cada volta
dada pelo eixo do motor, o PIC recebe um pulso indicando esta volta. O cálculo da velocidade
do motor é feito pelo microcontrolador PIC.
28
3.3.5
Fonte de Alimentação de 500 VCC
O circuito que gera a tensão de 500 VCC a ser aplicada ao motor de indução
trifásico é apresentado na figura 7.
Fonte: própria, 2008
Figura 7 – Fonte de alimentação de 500 VCC
O transformador utilizado possui entrada 5 + 5 V e saída 500 V. O circuito
apresentado funciona como um oscilador de cinco VCC em uma freqüência de 66,5 Hz. Cada
transistor BD140 e 2N2907 é chaveado nesta freqüência e após serem polarizados, alimentam
as bobinas de entrada do transformador alternadamente. A seguir, é apresentado o cálculo da
freqüência de chaveamento:
f =
1
1
⇒ f =
⇒ f = 66,5 Hz
−3
R.C
(1.10 + 470 + 33).10.10 −6
29
A tensão de 500 V gerada é retificada por uma ponte de diodos e filtrada pelo
capacitor de 10 µF.
3.3.6
Circuito de Medição da Resistência de Isolamento
Aplicando 500 VCC entre bobinas ou entre bobina e carcaça do motor, o circuito
apresentado a seguir mostra como é feito o cálculo da resistência de isolamento (Rm).
Fonte: própria, 2008
Figura 8 – Circuito medidor da resistência de isolamento
A resistência de isolamento é calculada baseada na tensão nos resistores Re1, Re2
e Re3, de 10 kΩ, 200 kΩ ou 5 MΩ respectivamente, apresentados na figura 8. Estes resistores
estão em série com a resistência de isolamento do motor. As três chaves existentes, RL1, RL2
e RL3 são a seleção da escala de resistência a ser medida. Estas chaves são contatos de três
relés respectivamente. Comutando RL1 poderão ser medidas resistências de isolamento de um
MΩ até 20 MΩ e comutando RL2 medir-se-ão resistências de 20 MΩ até 500 MΩ.
Selecionando RL3 poderá ser medido de 500 MΩ até 10 GΩ. O diodo Zener é usado como
proteção para que não se obtenha mais do que cinco VCC na saída.
A seguir, apresentam-se os cálculos da resistência de isolamento:
30
VRe = V .
Re
( Re + Rm )
O valor da resistência de isolamento (Rm) varia de acordo com o motor ensaiado
e por este motivo, tem-se três escalas de medição.
A seguir, são apresentados exemplos de cálculo do ganho de tensão no resistor Re.
1. Na seleção RL1 (medição de 1 MΩ até 20 MΩ)
Se, Rm = 20 MΩ
Se, Rm = 1MΩ
⇒ VRe = 500.
10k
(10k + 20 M )
⇒ VRe = 500.
⇒ VRe = 249,87 mV
10k
(10k + 1M )
⇒ VRe = 4,95V
2. Na seleção RL2 (medição de 20 MΩ até 500 MΩ):
200k
(200k + 500 M )
⇒ VRe = 200mV
200k
(200k + 20 M )
⇒ VRe = 4,95V
Se, Rm = 500 MΩ
⇒ VRe = 500.
Se, Rm = 20 MΩ
⇒ VRe = 500.
3. Na seleção RL3 (medição de 500 MΩ até 10 GΩ)
Se, Rm = 10GΩ
Se, Rm = 500 MΩ
⇒ VRe = 500.
5M
(5M + 10G )
⇒ VRe = 500.
⇒ VRe = 249,9mV
5M
(5M + 500 M )
⇒ VRe = 4,95V
Este valor de 5 V na saída é intencional, pois é o valor máximo aceitável pela
entrada analógica do PIC e também o valor máximo de cada escala.
31
3.4
PROGRAMAÇÃO
Neste item serão apresentados os métodos, as ferramentas e o cronograma de
implementação do projeto.
3.4.1
Descrição Geral
O programa realizado para controlar os hardwares, processar os dados recebidos e
fazer a interface gráfica com o operador estará embarcado no microcontrolador PIC18F452.
Chamado de firmware, este é implementado em linguagem de programação C. A ferramenta
de programação e compilação é o software PCW Compiler V3.31 e como ferramenta de
auxílio, o software Borland C++ Builder V5.0. Para a gravação do PIC é utilizado o Icprog
V1.05C e o WinPic800.
O objetivo do microcontrolador é receber os dados provenientes dos circuitos
mencionados anteriormente, por suas portas digitais e analógicas e processá-los. No
microcontrolador é implementado um algoritmo que calculará os valores de temperatura,
tensão, corrente, resistência de isolamento e todas as demais variáveis controladas, pois este
microcontrolador recebe sinais digitais e analógicos de tensão e o importante para o operador
do equipamento é saber o valor da grandeza medida. O microcontrolador é responsável
também por toda a interface dos circuitos existentes, ou seja, a comunicação entre os blocos.
O display gráfico que faz a interface com o operador também é manipulado pelo
microcontrolador.
A figura a seguir apresenta o fluxograma de funcionamento do equipamento.
32
Fonte: própria, 2008
Figura 9 – Fluxograma de funcionamento
33
3.4.2
Planejamento
As atividades a serem desenvolvidas estão dispostas no cronograma apresentado
no quadro a seguir.
Fonte: própria, 2008
Quadro 3 – Cronograma
O equipamento possui uma interface com o operador composta das quatro telas,
apresentadas a seguir (os valores indicados são meramente demonstrativos).
Fonte: própria, 2008
Figura 10 – Tela 1, 2, 3 e tela de diagnóstico do display
34
4
IMPLEMENTAÇÃO
Os itens a seguir descrevem os procedimentos de montagem, testes e configuração
de software e hardware.
4.1
DESCRIÇÃO DA MONTAGEM
O procedimento de montagem dos circuitos elétricos se iniciou em um protoboard
e, depois de obtido o funcionamento desejado, os mesmos foram montados em uma placa
universal. Cada circuito, já descrito anteriormente, foi montado separadamente um do outro.
O circuito responsável pelo processamento e controle foi montado, inicialmente, já em uma
placa de circuito impresso e não em protoboard, devido à sensibilidade e complexidade do
circuito, principalmente na conexão do LCD. Este, para ser testado, deve estar com todas as
conexões adequadas e um protoboard não oferece esta garantia. Durante os testes, a maior
dificuldade foi obter os sinais idênticos aos calculados e desejados, pois componentes
eletrônicos comerciais não possuem valores idênticos aos calculados. Outra dificuldade foi a
escolha do AmpOp a ser utilizado. Vários amplificadores operacionais foram testados, mas o
LM324 ofereceu o melhor desempenho.
4.2
TESTES, MEDIÇÕES E CONFIGURAÇÕES
Como já mencionado, cada circuito foi montado separadamente, facilitando os
testes e a localização de problemas.
35
4.2.1
Circuitos de Medição (Hardware)
As medições dos sinais resultantes de cada placa de circuito impresso montada
foram feitas com instrumentos calibrados e com certificação dos órgãos nacionais
responsáveis. O primeiro teste realizado foi a verificação dos valores de cada componente
utilizado. Todos os componentes foram medidos e, também, foram conferidas as descrições
impressas em sua superfície. A seqüência de testes e medições é descrita a seguir.
− Circuito de medição de temperatura
O quadro a seguir apresenta a relação entre a temperatura medida com um
instrumento de medição certificado e a tensão gerada pelo circuito amplificador. Esta tensão é
a utilizada pelo microcontrolador para o cálculo da temperatura a ser indicada no LCD.
Temperatura medida com
Sinal de saída no
instrumento certificado [ºC]
AmpOp [V]
22
32
33
43
52
70
130
0,70
0,96
1,04
1,32
1,58
1,97
3,17
Fonte: própria, 2008
Quadro 4 – Relação entre temperatura e tensão gerada
A figura a seguir apresenta a curva desta relação e também a equação respectiva,
onde no eixo “x” tem-se o sinal de tensão gerado e no “y”, a temperatura calculada. Esta
equação está implementada no microcontrolador.
36
TEMPERATURA X TENSÃO
2
y = 5,5701x + 21,975x + 4,4142
140
130
TEMP. (ºC)
120
100
80
70
60
40
22
20
3233
52
43
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
TENSÃO (V)
Fonte: própria, 2008
Figura 11 – Gráfico da temperatura versus tensão gerada
− Circuito de medição de corrente elétrica com resistor de ganho de 22 kΩ
O quadro a seguir apresenta a relação entre a corrente elétrica medida com um
instrumento de medição certificado e a tensão gerada pelo circuito amplificador. Esta tensão
também é utilizada pelo microcontrolador para o cálculo da corrente elétrica a ser indicada no
display.
37
Corrente elétrica medida com
Sinal de saída no
instrumento certificado [A]
AmpOp [V]
13,0
13,8
22,5
27,3
35,0
41,4
55,4
68,1
83,1
98,0
115,4
129,2
139,5
141,0
155,4
166,1
180,4
193,0
202,0
0,233
0,254
0,476
0,591
0,705
0,776
0,928
1,063
1,224
1,380
1,558
1,650
1,701
1,709
1,765
1,799
1,837
1,864
1,875
Fonte: própria, 2008
Quadro 5 – Relação entre corrente elétrica e tensão gerada – 1º ganho
A figura a seguir apresenta a curva desta relação e também a equação respectiva,
onde no eixo “x” tem-se o sinal de tensão gerado e no “y”, a corrente elétrica calculada. Esta
equação está implementada no microcontrolador.
38
CORRENTE X TENSÃO
5
4
3
2
y = 159,62x - 729,81x + 1215,2x - 865,18x + 307,84x - 25,373
250
202
193
180,4
166,1
155,4
141
139,5
129,2
115,4
CORRENTE (A)
200
150
100
98
83,1
55,4
50
0
0,000
13,8
13
0,200
0,400
22,5 27,3
0,600
68,1
35 41,4
0,800
1,000
1,200
1,400
1,600
1,800
2,000
TENSÃO (V)
Fonte: própria, 2008
Figura 12 – Gráfico da corrente elétrica versus tensão gerada – 1º ganho
− Circuito de medição de corrente elétrica com resistor de ganho de 510 kΩ
O quadro a seguir apresenta a relação entre a corrente elétrica medida com um
instrumento de medição certificado e a tensão gerada pelo circuito amplificador. Esta tensão
também é utilizada pelo microcontrolador para o cálculo da corrente elétrica a ser indicada no
display.
39
Corrente elétrica medida com
instrumento certificado [A]
1,0
1,4
2,5
3,7
4,3
6,2
6,9
7,7
8,2
8,8
9,5
10,3
11,5
12,2
13,5
14,5
15,5
16,7
17,4
18,5
19,5
20,2
Sinal de saída [V]
0,117
0,320
0,755
1,027
1,167
1,565
1,639
1,715
1,746
1,786
1,821
1,856
1,896
1,916
1,948
1,966
1,985
2,000
2,012
2,025
2,036
2,042
Fonte: própria, 2008
Quadro 6 – Relação entre corrente elétrica e tensão gerada – 2º ganho
A figura a seguir apresenta a curva desta relação e também a equação respectiva,
onde no eixo “x” tem-se o sinal de tensão gerado e no eixo “y”, a corrente elétrica calculada.
Esta equação está implementada no microcontrolador.
40
CORRENTE X TENSÃO
6
y = 14,787x - 82,94x 5 + 178,8x 4 - 184,6x 3 + 93,93x 2 - 18,748x + 2,1828
25
20,2
19,5
18,5
17,4
16,7
15,5
14,5
13,5
12,2
11,5
10,3
9,5
8,8
8,2
7,7
6,9
6,2
CORRENTE (A)
20
15
10
5
0
0,000
1,4
1
0,500
2,5
3,7 4,3
1,000
1,500
2,000
2,500
TENSÃO (V)
Fonte: própria, 2008
Figura 13 – Gráfico da corrente elétrica versus tensão gerada – 2º ganho
− Circuito de medição de tensão
O quadro a seguir apresenta a relação entre a tensão de linha medida com um
instrumento de medição certificado e a tensão gerada pelo circuito rebaixador. Esta tensão é
utilizada pelo microcontrolador para o cálculo da corrente elétrica a ser indicada no display.
41
Tensão medida com instrumento
Sinal de saída no
certificado [VCA]
transformador [V]
30,0
35,3
40,1
45,0
50,0
55,1
60,0
65,0
70,1
75,0
80,1
85,0
90,8
95,5
100,2
105,1
110,0
115,0
120,0
125,2
130,0
135,0
140,0
145,0
150,1
155,5
160,0
165,2
170,1
175,3
180,6
185,4
0,2596
0,2574
0,2570
0,2582
0,2623
0,2720
0,2860
0,3094
0,3420
0,3830
0,4330
0,4840
0,5500
0,6100
0,6700
0,7320
0,7990
0,8630
0,9290
0,9980
1,0690
1,1350
1,2060
1,2800
1,3540
1,4300
1,4900
1,5730
1,6430
1,7200
1,7970
1,8700
42
Tensão medida com instrumento
Sinal de saída no
certificado [VCA]
transformador [V]
190,0
195,2
201,0
205,0
210,0
215,0
220,0
225,0
230,0
235,0
240,0
245,0
250,0
255,0
260,0
265,0
270,0
275,0
280,0
282,0
1,936
2,000
2,085
2,158
2,228
2,300
2,383
2,500
2,506
2,606
2,670
2,744
2,811
2,890
2,968
3,040
3,115
3,190
3,258
3,270
Fonte: própria, 2008
Quadro 7 – Relação entre tensão medida e tensão rebaixada
A figura a seguir apresenta a curva desta relação e também a equação respectiva,
onde no eixo “x” tem-se o sinal de tensão rebaixado e no “y”, a tensão calculada. Esta
equação está implementada no microcontrolador.
43
TENSÃO MEDIDA X TENSÃO
y = -6,9695x
6
+ 79,337x 5 - 356,13x 4 + 799,15x 3 - 935,87x 2 + 606,5x - 61,579
300
282
280
275
270
265
260
255
250
245
240
235
230
225
220
215
210
205
201
195,2
190
185,4
180,6
175,3
170,1
165,2
160
155,5
150,1
145
140
135
130
125,2
120
115
110
105,1
100,2
95,5
8590,8
80,1
75
70,1
65
60
55,1
50
45
40,1
35,3
30
TENSÃO MEDIDA (V)
250
200
150
100
50
0
0,0000
0,5000
1,0000
1,5000
2,0000
2,5000
3,0000
3,5000
TENSÃO (V)
Fonte: própria, 2008
Figura 14 – Gráfico da tensão medida versus tensão rebaixada
− Circuito de medição de velocidade
O quadro a seguir mostra os níveis de tensão gerados pelo gerador de pulso por
rotação do eixo do motor elétrico. A cada volta completa do eixo do motor um pulso é
enviado para uma entrada digital do microcontrolador.
Emissão de luz
Com obstáculo
Sinal de Saída [VCC]
Sim
Sim
Sim
Não
5
0
Fonte: própria, 2008
Quadro 8 – Contador de rotação
44
− Circuito da fonte de alimentação de 500 VCC
No quadro apresentado a seguir é exibida a relação de transformação da tensão de
5 Vcc para 500 Vcc.
Tensão de
Tensão de entrada
alimentação do
no transformador
circuito [VCC]
[VCA]
5
5
Tensão de
saída no
transformador
[VCA]
500
Tensão de
saída da fonte
[VCC]
500
Fonte: própria, 2008
Quadro 9 – Relação da Fonte de 500 VCC
− Circuito de medição da resistência de isolamento
O quadro apresentado a seguir contém a relação da resistência de isolamento (Rm)
e a tensão gerada no resistor padrão (Re). São mostrados somente os valores máximos e
mínimos nas três escalas. Os valores intermediários podem ser calculados pela equação
apresentada no item 3.3.6. Esta equação está implementada no microcontrolador.
Resistência de
Tensão aplicada isolamento medida
no motor [Vcc]
com instrumento
certificado [MΩ]
500
500
500
500
500
500
1
20
20
500
500
10000
Resistor
Tensão no
Padrão – Re
Resistor
[kΩ]
Padrão [Vcc]
10
10
200
200
5000
5000
4,9505
0,2499
4,9505
0,2000
4,9505
0,2499
Fonte: própria, 2008
Quadro 10 – Relação entre Resistência de Isolamento Medida e Tensão Gerada no Resistor Padrão
45
4.3
CÓDIGO FONTE
O código fonte implementado neste projeto possui a estrutura apresentada a
seguir.
INCLUSÃO DAS BIBLIOTECAS
Define todas as bibliotecas utilizadas no programa.
OPÇÕES DO LCD
Define os pinos de dados e controle do display LCD de 4 linhas e 16 colunas.
DECLARAÇÃO DAS FUNÇÕES E DEFINIÇÕES
Foram declaradas as funções que são chamadas durante o ciclo do programa. É também a
parte do programa onde é feita a definição de algumas variáveis.
DECLARAÇÃO DAS FUNÇÕES PARA O LCD
É a parte do programa em que são somente declaradas as funções para manipulação do LCD.
VARIÁVEIS GLOBAIS
Nesta parte são declaradas todas as variáveis globais do programa (Ex.: int, char, float...)
ROTINAS DE INTERRUPÇÃO
Campo que possui a rotina de interrupção do programa. É usada uma interrupção para a
leitura e cálculo da velocidade do motor.
PROGRAMA BASE – MAIN
Este campo é onde está o programa base, onde são chamadas as demais funções, interrupções.
Esta parte trabalha em um ciclo ininterrupto, exceto quando há um comando, do operador,
para parar.
46
FUNÇÕES
Tela Inicial
Esta função é chamada somente quando o equipamento é ligado ou reiniciado. É uma tela de
apresentação do projeto.
Tela 1
É a função que lê, calcula e manipula todas as variáveis que são apresentadas na tela 1.
Tela 2
É a função que lê, calcula e manipula todas as variáveis que são apresentadas na tela 2.
Tela 3
É a função que lê, calcula e manipula todas as variáveis que são apresentadas na tela 3.
Tela 4
É a função que lê, calcula e manipula todas as variáveis que são apresentadas na tela 4.
LCD
No item 4 deste tópico são declaradas as funções do LCD e nesta parte é onde realmente são
executadas as funções deste display.
47
4.4
PLACAS DE CIRCUITO IMPRESSO
Nas figuras a seguir são apresentados os layouts da Placa de Circuito Impresso
(PCI) responsável pela manipulação das variáveis velocidade, tensão, continuidade,
temperatura, corrente elétrica e resistência de isolamento, ou seja, a placa de todo o circuito
elétrico montado.
Fonte: própria, 2008
Figura 15 – Layout das trilhas da PCI responsável pela manipulação de todas variáveis medidas
48
Fonte: própria, 2008
Figura 16 – Layout dos componentes eletrônicos da PCI responsável pela manipulação de todas variáveis
medidas
49
4.5
CUSTOS DO PROJETO
As despesas com materiais, mão de obra e serviços contratados, são apresentadas
nos quadros a seguir.
4.5.1
Componentes e Materiais
O quadro a seguir contém a quantidade de componentes e os materiais utilizados
em todo o projeto, inclusive em testes, e seus respectivos custos.
Componentes e Materiais
Resistor 33 Ω
Resistor 39 Ω
Resistor 470 Ω
Resistor 1 kΩ
Resistor 2,4 kΩ
Resistor 10 kΩ
Resistor 20 kΩ
Resistor 100 kΩ
Resistor 500 kΩ
Potenciômetro 470 Ω
Circuito Integrado LM35
Circuito Integrado LM324
Diodo Zener 5 V
Garra de corrente
Chave seletora de uma posição
Chave seletora de duas posições
Transformador 500/5 V - 10 W
Transformador 5/500 V - 10 W
Diodo retificador 1N4003
Capacitor eletrolítico 10 µF/50 V
Quantidade
(peças)
1
2
1
11
1
1
2
1
2
1
1
1
4
1
4
1
1
1
8
3
Preço Unitário
[R$]
0,01
0,01
0,01
0,01
0,01
0,01
0,01
0,01
0,01
1,10
0,52
0,58
0,50
115,00
2,50
2,50
5,00
5,00
0,15
0,50
Total [R$]
0,01
0,02
0,01
0,11
0,01
0,01
0,02
0,01
0,02
1,10
0,52
0,58
2,00
115,00
10,00
2,50
5,00
5,00
1,20
1,50
50
Componentes e Materiais
Capacitor eletrolítico 470 µF/50 V
Capacitor eletrolítico 1 µF/630 V
Bateria de 12 Vcc
Conjunto fotodiodo - fototransistor
Transistor BD140
Transistor 2N2907
LED vermelho
Buzzer de cinco V
Placa universal
Display gráfico LCD 128 x 64
Microcontrolador PIC 18f452
Cabo banana - banana
Conector banana fêmea
Flat cable
Base torneada 40 pinos
Caixa de Acrílico
Quantidade
Preço Unitário
(peças)
[R$]
1
0,60
1
0,40
1
30,00
1
1,10
2
1,00
2
2,40
2
0,30
1
1,20
2
8,00
1
40,00
1
22,00
2
4,00
2
0,50
1
1,50
1
4,00
1
50,00
Total do Projeto (R$)
Fonte: própria, 2008
Quadro 11 – Despesa com componentes e materiais utilizados no projeto
Total [R$]
0,60
0,40
30,00
1,10
2,00
4,80
0,60
1,20
16,00
40,00
22,00
8,00
1,00
1,50
4,00
50,00
327,78
51
4.5.2
Serviços Contratados
O custo com mão de obra terceirizada, contratada para a confecção dos
transformadores utilizados no projeto, consta no quadro a seguir.
Descrição
Mão de obra para confecção de
transformadores
Quantidade
Preço Unitário
[R$]
Total [R$]
01
30,00
30,00
Fonte: própria, 2008
Quadro 12 – Despesa com serviços contratados para o projeto
52
5
RESULTADOS
Depois da implementação de cada circuito que compõe o equipamento, foram
realizados os testes para a verificação do funcionamento do mesmo. Os resultados obtidos e a
análise dos mesmos são apresentados a seguir.
5.1
MEDIÇÃO DE TEMPERATURA
O proposto no projeto era medir temperaturas de zero a 150 ºC. O circuito
implementado mede os valores esperados de temperatura.
5.2
MEDIÇÃO DE CORRENTE ELÉTRICA
O equipamento é capaz de medir correntes elétricas de zero a 200 A, sendo estes
os valores esperados. Foi necessário instalar uma chave seletora para duas faixas de medição
de corrente. Na primeira seleção é possível medir correntes de zero a 20 A, valor este acima
do esperado (10 A). Na segunda seleção da chave, é possível medir correntes de 20 até 200 A,
confirmando o funcionamento correto do equipamento.
53
5.3
MEDIÇÃO DE TENSÃO
Esperava-se que o circuito realizasse de medições de tensão de zero até 500 V. O
objetivo foi alcançado, mas na faixa de zero até 30 V, porém, estas medições não se
apresentaram confiáveis, quando comparadas com as medições realizadas com multímetros
certificados. Nesta faixa de valores de tensão, o equipamento apresentou instabilidade. Acima
de 30 V, todas as medições de tensão estavam corretas e confiáveis para valores de tensão até
500 V.
5.4
MEDIÇÃO DE VELOCIDADE
Motores comerciais, normalmente, não apresentam velocidades acima de 3600
RPM, exceto em aplicações especiais. Mesmo com estas condições, o equipamento montado
está apto a medir valores muito acima. O máximo valor medido foi de 20.000 RPM e nesta
condição, foi empregado um gerador de funções para obter-se uma onda quadrada com nível
TTL. O máximo valor medido com o tacômetro construído foi 3600 RPM, pois não havia um
motor de velocidade maior.
5.5
MEDIÇÃO DA RESISTÊNCIA DE ISOLAMENTO
O equipamento desenvolvido foi projetado para medir resistências de zero a até
10.000 MΩ. Vários testes foram realizados nas três escalas implementadas: de zero a 20 MΩ,
de 20 a 500 MΩ e de 500 a 10.000 MΩ. Em todas as escalas, foi aplicada a tensão de 500 VCC
em vários motores trifásicos, sob condições diversas. A medição da resistência de isolamento
foi feita entre as bobinas e entre a bobina e carcaça. Todos os valores medidos foram
54
comparados com medições feitas por megôhmetros certificados, nas mesmas condições dos
testes realizados, e apresentaram os valores esperados. Terminados os testes, o equipamento
indicou no display LCD o diagnóstico com o índice de polarização, o índice de absorção e a
característica do motor de acordo com os valores esperados (quadros 1 e 2). Nos itens a
seguir, são apresentados os valores obtidos, com o equipamento desenvolvido, para dois
motores em diferentes condições.
5.5.1
Ensaio no Motor Trifásico 1
Nos quadros 13 e 14 a seguir, são apresentados valores de resistência de
isolamento do primeiro motor ensaiado sob uma temperatura ambiente de 23 ºC e seus
respectivos índices calculados após 10 minutos de teste.
Instante de
tempo
Resistência de
isolamento
medida [MΩ]
30 segundos
670
1 minuto
671
10 minutos
665
Índice de
Índice de
polarização
Absorção
0,99
1,00
Diagnóstico
Motor sujo e
úmido
Fonte: própria, 2008
Quadro 13 – Resistência de isolamento entre bobina e carcaça no motor 1.
55
Instante de
tempo
Resistência de
isolamento
medida [MΩ]
30 segundos
15
1 minuto
16
10 minutos
16
Índice de
Índice de
polarização
Absorção
1,00
1,01
Diagnóstico
Motor sujo e
úmido
Fonte: própria, 2008
Quadro 14 – Resistência de isolamento entre bobinas no motor 1.
5.5.2
Ensaio no Motor Trifásico 2
Nos quadros 15 e 16 a seguir, são apresentados valores de resistência de
isolamento do segundo motor ensaiado sob uma temperatura ambiente de 23 ºC e seus
respectivos índices calculados após 10 minutos de teste.
Instante de
tempo
Resistência de
isolamento
medida [MΩ]
30 segundos
2535
1 minuto
2527
10 minutos
3965
Índice de
Índice de
polarização
Absorção
1,56
0,99
Diagnóstico
Motor sujo e
Fonte: própria, 2008
Quadro 15 – Resistência de isolamento entre bobina e carcaça no motor 2
seco
56
Instante de
tempo
Resistência de
isolamento
medida [MΩ]
30 segundos
1780
1 minuto
1690
10 minutos
2760
Índice de
Índice de
polarização
Absorção
1,63
0,94
Diagnóstico
Motor sujo e
seco
Fonte: própria, 2008
Quadro 16 – Resistência de isolamento entre bobinas no motor 2
Observa-se, portanto, a partir dos resultados apresentados nos quadros 13, 14, 15 e
16, que o equipamento desenvolvido apresenta os valores esperados para a resistência de
isolamento, independentemente se a medição foi entre as bobinas ou entre a bobina e a
carcaça.
57
6
CONSIDERAÇÕES FINAIS
O trabalho realizado teve como objetivo principal diagnosticar as condições de
motores de indução trifásicos de até 100 CV, através da medição da resistência de isolamento.
Por se tratar de um produto portátil para ser usado principalmente em chão de fábrica, o
equipamento é capaz de medir outras grandezas também. São elas: tensão, corrente elétrica,
potência consumida, temperatura e velocidade de rotação do motor. Diversas são as formas de
se diagnosticar as condições de um motor elétrico, mas o método da resistência de isolamento
foi escolhido por ser o mais utilizado em uma indústria. Os valores das grandezas podem ser
visualizados em tempo real em um display e a interface com o operador é realizada com o
auxílio de botões instalados na carcaça do equipamento. Os cálculos do índice de absorção e
índice de polarização são realizados automaticamente, obtendo-se medições precisas. Os
circuitos eletrônicos foram montados com todas as peças comercializadas em território
nacional, não havendo a necessidade de importação. O layout do equipamento foi
desenvolvido seguindo os padrões dos equipamentos similares existentes no mercado, para
que não haja rejeição na sua operação. Portanto, este equipamento possui o diferencial de
medir várias grandezas em um mesmo instrumento, é portátil, de fácil manuseio e segue as
normas ABNT vigentes.
Um problema a ser melhorado futuramente é o alto consumo de energia elétrica
do equipamento, pois é necessário utilizar uma bateria que forneça uma corrente elétrica
acima de 1,3 A. O uso de transformadores é muito funcional, mas ocupa um grande espaço no
equipamento, limitando a sua compactação. Apesar destas dificuldades, não houve
empecilhos que tornassem o equipamento inviável e impossibilitassem sua confecção. A
vantagem dos circuitos montados é que estes possuem componentes comerciais, a tecnologia
empregada no seu desenvolvimento é a mesma de equipamentos já existentes e apresenta a
mesma eficiência destes, mas com um custo reduzido. É um projeto que pode servir como
base para muitos outros, pois motores de indução trifásicos são usados há muitas décadas e
certamente continuarão a serem usados, necessitando de manutenção e principalmente de
diagnósticos baseados na medição da resistência de isolamento e seus respectivos índices.
58
REFERÊNCIAS
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR5383-1: Máquinas elétricas
girantes. Parte 1: Motores de indução trifásicos – Ensaios. Rio de Janeiro, 2002.
FITZGERALD, A. E; KINGSLEY JR., C; KUSKO, A. Máquinas Elétricas: São Paulo: McGraw–
Hill do Brasil, 1975.
TREINAMENTO DE COMANDO E PROTEÇÃO DE MOTORES, módulo 1, 2005, Jaraguá do Sul.
Treinamentos... Jaraguá do Sul: Weg Indústrias S.A., 2005.
KOTINDA, C. H. P. Ensaios de máquinas elétricas. 4 f. Trabalho acadêmico (Ensaios de Máquinas
Elétricas) – Departamento Acadêmico de Eletrotécnica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná,
Curitiba, 2001.
MARQUES, J. L. B. EEL 7300 – Eletrônica Aplicada (Versão 1): Florianópolis, SC,2002.
INVERSOR MULTIUSO. Disponível em: < http://www.feiradeciencias.com.br/sala15/15_26.asp>.
Acesso em 14/4/2008.
PIC 18F452. Disponível em: < http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName
=en010296>. Acesso em 20/3/2008.
ALL DATASHEET. Disponível em: < http://www.alldatasheet.com/>. Acesso em 11/2/2008.
SEMAGE MANUTENÇÃO INDUSTRIAL. Resistência de Isolamento. Curitiba, 2008. 3p.
Relatório Técnico.
59
ANEXOS
Nas figuras a seguir são apresentados os circuitos, desenhados no software Protel, que
compõem o equipamento desenvolvido.
Fonte: própria, 2008
Figura 17 – Circuito eletrônico da fonte de 500 Vcc
60
Fonte: própria, 2008
Figura 18 – Circuito eletrônico do microcontrolador PIC 18F452
61
Fonte: própria, 2008
Figura 19 – Circuito eletrônico do amplificador operacional, display e ganho de corrente
62
Fonte: própria, 2008
Figura 20 – Circuito eletrônico fonte de alimentação do equipamento
Fonte: própria, 2008
Figura 21 – Circuito eletrônico do tacômetro
63
Fonte: própria, 2008
Figura 22 – Circuito eletrônico do medidor de tensão e relé de aplicação de 500 Vcc
64
Fonte: própria, 2008
Figura 23 – Circuito eletrônico dos relés das três escalas de resistência de isolamento