Práticas Lab Eletricidade

Esta é uma pré-visualização de arquivo. Entre para ver o arquivo original

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS 
Graduação em Engenharia de Produção - IPUC
 
 
 
 
 
 
Relatório – Laboratório de eletricidade aplicada 
 
 
 
 
 
Alunas: Camila Ramos Lemos, Natalia Cristiane Amorim de Oliveira e Sheila Carvalho Aniceto
Professor: Fernando Villamarim 
 
 
 
Belo Horizonte
2022
10. Cargas Trifásicas, Conexão Y (Estrela Equilibrada)
10.1 Objetivos
Realizar medições de tensões, correntes, potências e fator de potência em uma carga trifásica indutiva equilibrada, ligada em Y (estrela). Estudar as relações entre os parâmetros de cargas Y.
10.2 Material necessário
· 1 multimedidor de parâmetros CA (ver nota abaixo)
· 1 multímetro digital
· 3 indutores de 0,2 H – 8 Ω
· 3 resistores de 50 Ω/200 W (ver nota abaixo)
· 1 jogo de cabos de teste
· 1 computador do tipo PC com software de simulação instalado
Nota: No lugar do multimedidor de parâmetros CA pode ser usado um conjunto de medidores analógicos, consistindo em cossifímetro, varímetro e wattímetro para 127 V/5 A. Os resistores de 300Ω são usados para aumentar o fator de potência da carga. Consultar a Figura 10.3.
ATENÇÃO: O osciloscópio e o gerador de funções NÃO serão usados nesta
 prática!
10.3 Introdução
Vamos considerar um sistema trifásico de 220 V/60 Hz, onde três cargas iguais estão ligadas em estrela, ou Y, conforme a Figura 10.1. Vamos usar a nomenclatura A, B e C para as fases, sequência de fases ABC e giro de fasores das tensões do sistema no sentido anti-horário. Adotando-se a tensão VAB como referência, vem:
Tensão entre Fases
VAB
VBC
= 2200o
= 220 120o
V	= 220120oCA
Tensão Fase - Neutro
VAN
VBN
= 12730o
= 127  90o
VCN
= 127150o
Fig. 10.1 - Carga Trifásica Equilibrada Ligada em Y
Em um sistema trifásico, as tensões das três fases da fonte são senoidais e têm a mesma amplitude, mesma frequência e estão defasadas de 120º entre si.
Sendo I = V / Z, teremos: Ia = VAN / Za	Ib = VBN / Zb	Ic = VCN / Zc
Em uma carga Y equilibrada: Za = Zb = Zc . Levando em conta que as tensões de fase têm mesma amplitude, mas estão defasadas por 120°, as correntes das fases também terão as mesmas amplitudes e estarão defasadas de 120º entre si. No sistema Y, a tensão de linha é a soma fasorial das tensões de duas fases e a corrente de fase é igual à corrente de linha. O relacionamento básico entre as tensões e as correntes é o seguinte:
VFase-Fase = VFF = VLinha = VL
VFN
= VFF
= VL
e	I L
= I Fase
= VFN
Z
As potências por fase são dadas por:3
3
Fase
SFASE = VF x IF (VA)	ou	𝑆 = √𝑃2 + 𝑄2	(VA)
PFASE = VF x IF x cos (W)	ou	PFASE = S x cos (W)
QFASE = VF x IF x sen (VAr)	ou	QFASE = S x sen (VAr)
O relacionamento existente entre as três potências de CA pode representado por meio do triângulo de potências, mostrado ao lado. O cosseno do ângulo  é chamado de fator de potência do circuito, ou seja:
F.P. = cos = P/S
Se a carga for equilibrada, a soma das potências por fase, ou monofásicas, é igual à potência trifásica. Basta então calcular as potências em uma das fases e multiplicar o resultado por três para obter as potências P, Q e S trifásicas, ou totais. O resultado equivalente é que as potências em um sistema com carga trifásica Y equilibrada são dadas por:
Potência Ativa Total: Potência Reativa Total: Potência Aparente Total:
P = 3 VL I L cos  Q = 3 VL I L sen S = 3 VL I L
(W)
(VAr)
(VA)
Agora, se o sistema trifásico for desequilibrado, precisamos calcular (ou medir) as
potências P e Q de cada uma das fases individualmente e somá-las para obter as potências
P e Q totais, levando em conta que a potência reativa Q tem sinal (-) se for capacitiva e sinal (+) se for indutiva. A potência total S deve ser obtida usando então
𝑆 = √𝑃2	+ 𝑄2	.
Total	Total
Em um circuito trifásico Y, a corrente no condutor do neutro é obtida através da soma fasorial das correntes de fase, sendo igual a zero se a carga for equilibrada. Caso contrário, a corrente do neutro será diferente de zero.
10.4 Circuito de Teste
O circuito de teste da carga trifásica usando o multimedidor está mostrado na Figura 10.2. O instrumento medirá os parâmetros das três fases simultaneamente.
Fig. 10.2 - Teste da Carga Trifásica Y com Multimedidor
O circuito de teste usando medidores analógicos está mostrado na Figura 10.3. Notar que apenas os parâmetros da fase A serão medidos e usados para computar posteriormente as potências trifásicas.
Fig. 10.3 - Teste do Sistema Y Equilibrado com Medidores Analógicos
10.5 Cálculos e Simulações
a) Usando como base a Figura 10.2 ou 10.3, conforme for a instrumentação disponível, calcular os parâmetros da carga trifásica ligada em Y equilibrado, 220 V, 60 Hz. Para calcular Z, os valores de L e R dos indutores são obtidos na sua placa de dados;
· Determinar as correntes Ia, Ib, Ic, In
· Determinar as tensões Fase-Neutro. Anotar os resultados na Tabela 10.1.
b) Calcular os valores de S, P, Q e cos  para a carga Y. Anotar os resultados na Tabela
10.2. As potências a serem calculadas são monofásicas e trifásicas.
c) Usando simulação monofásica ou trifásica, determinar todos os parâmetros listados nas Tabelas 10.1 e 10.2, anotando os resultados.
Tabela 10.1 - Correntes e Tensões da Carga Trifásica Y Equilibrada, 220V/60Hz
	Valores
	Ia
	Ib
	Ic
	In
	VAN
	VBN
	VCN
	Calculados
	1,67 A
	-
	-
	-
	179V
	179V
	179V
	Simulados
	-
	-
	-
	-
	-
	-
	-
	Medidos
	1,674 A
	1,679 A
	1,698 A
	-
	127 V
	127V
	127V
Tabela 10.2 - Potências Monofásicas e Trifásicas da Carga Y Equilibrada, 220V/60Hz
	Valores
	P – Watts
	
	PA
	PB
	PC
	P trifásica
	
Calculados
	
	
	
	
	
Simulados
	-
	-
	-
	-
	
Medidos
	0,026kw
	0,038kw
	0,038kw
	0,105 kw
	Valores
	Q – Vars
	
	QA
	QB
	QC
	Q trifásica
	
Calculados
	
	
	
	
	
Simulados
	-
	-
	-
	-
	
Medidos
	0,212
	0,212
	0,215
	
	Valores
	S – VA
SA	SB	SC	S trifásica
	
	
	
	
	
	
Calculados
	
	
	
	
	
Simulados
	-
	-
	-
	-
	
Medidos
	0,214
	0,216
	0,219
	
	Valores
	Fator de Potência - cos
	
	Fase A
	Fase B
	Fase C
	Total
	
Calculados
	
	
	
	
	
Simulados
	-
	-
	-
	-
	
Medidos
	0,12
	0,18
	0,18
	
10.6 Medições
a) Com a bancada desligada, montar o circuito de teste mostrado na Figura 10.2 ou 10.3, em função dos instrumentos disponíveis. Escolher as entradas e as escalas apropriadas nos instrumentos.
Nota: Usando-se o multimedidor de CA, o instrumento fornecerá as potências monofásicas e trifásicas, assim como o cos monofásico e trifásico. No caso de se usar a instrumentação analógica, o teste será monofásico e as potências trifásicas ou totais poderão ser obtidas multiplicando-se o resultado por 3, pois a carga é equilibrada. O cos total seria igual à média dos valores monofásicos. Nesta prática, adotar o valor da fase medida.
b) Na montagem do circuito, cuidar para que não exista interação apreciável entre os campos dos indutores, mantendo-os afastados um dos outros ou formando ângulos retos entre eles. Cuidar para que os cabos de teste não encostem nos resistores de potência.
c) Ligar a bancada e obter as leituras solicitadas nas Tabelas 10.1 e 10.2, anotando os resultados encontrados. No caso de se usar os instrumentos analógicos, o ponteiro do cossifímetro deve deslocar para o lado indutivo. O wattímetro e varímetro devem deslocar para a direita, ou seja, na direção de máxima escala. Se for necessário, inverter a conexão de potencial do instrumento.
d) Cuidado com os instrumentos analógicos. Eles devem operar em 127 V no sistema Y usado no teste. Verificar os seus multiplicadores de escala, caso existam, antes de
anotar as leituras. Exemplo: Entrada de 127 V, escala de 600 VAr; entrada de 220 V, escala de 1200 VAr.
e) Usar o a escala de ampères do multímetro medir a corrente no neutro.
f) Concluídas as medições, desligar a bancada e guardar os instrumentos e cabos.
Responder:
a) Comprovar que a tensão fase-fase em um sistema Y equilibrado é igual à soma fasorial das tensões de fase e não igual à sua soma algébrica.
b) Comprovou-se, através de medição, que a corrente de neutro é praticamente nula
em um circuito Y equilibrado composto por cargas lineares?
Sim.
c) Se a corrente no neutro não for zero, quais seriam os principais motivos?
A troca dos cabos.
d) Verificar se existe correlação entre os valores calculados, simulados e medidos. Se existirem diferenças entre os valores, explicar os motivos.
e) Construir o diagrama fasorial para um sistema Y equilibrado com carga indutiva, mostrando as tensões de linha, tensões de fase e as correntes de linha.
f) Onde é dissipada potência ativa nesta prática?
g) Verificar se a potência dos resistores usados nesta prática está adequada ao valor da potência nele dissipada.
h) Onde é usada a potência reativa nesta prática? Qual é sua finalidade?
i) Quais são os limites de Fator de Potência exigidos pela CEMIG no caso de consumidores industriais? E no caso de consumidores residenciais?
j) O Fator de Potência da carga usada nesta prática atende às especificações da CEMIG?
11. Ligação de Motores e Correção do Fator de Potência
11.1 Objetivos
Efetuar a medição e correção do Fator de Potência de motores (ou cargas indutivas) por meio de banco de capacitores. Realizar medições de potências ativa, reativa e aparente antes e depois da correção do Fator de Potência.
11.2 Material Necessário
· 1 multimedidor de parâmetros CA (ver nota abaixo)
· 1 motor de indução trifásico, 220 V, ¾ HP ou 1 HP, 60 Hz.
· 3 bancos de capacitores para compensação de FP, 250 V mínimo
· 1 jogo de cabos de teste
Nota: No lugar do multimedidor de parâmetros CA podem ser usados aparelhos analógicos de 220 V / 5 A para medições de watts, VArs e Fator de Potência. Consultar a Figura 13.3.
ATENÇÃO: O osciloscópio e o gerador de funções NÃO serão usados nesta prática!
11.3 Introdução
As cargas industriais são principalmente reativas, com amplo predomínio das cargas reativas indutivas devido ao uso generalizado de transformadores, motores, máquinas de solda, iluminação industrial, etc. Como estas cargas consomem energia reativa, a qual não produz trabalho, mas precisa ser gerada, transportada e distribuída tal como a energia ativa, a falta de controle da energia reativa consumida nas indústrias reduz a eficiência do sistema elétrico de potência e prejudica sua regulação de tensão.
O controle da energia reativa é realizado através da medição ou avaliação do Fator de Potência de uma instalação elétrica. O Fator de Potência, ou FP, é definido como sendo o cosseno do ângulo  no triângulo de potências, conforme mostrado na Figura 13.1. Notar que, quanto maior for o cos, menor será o ângulo . Então a potência reativa Q fornecida pela CEMIG será menor e a potência total S será melhor aproveitada como potência ativa P e transformada em trabalho útil.
A redução de energia reativa consumida da concessionária após a compensação do Fator de Potência não significa que a carga passou a requerer menos energia reativa para funcionar. Para aumentar o cos da carga precisamos fornecer localmente uma certa quantidade de energia reativa, ao invés de a CEMIG fornecer toda a energia reativa exigida para o funcionamento da carga.
Isto é alcançado adicionando em paralelo com a carga uma reatância de natureza oposta à original, ou seja, se a carga é um motor (carga indutiva), adicionamos capacitores (carga capacitiva) em paralelo com o motor.
P = potência ativa ou real (W) Q = potência reativa (VAr)
S = potência aparente ou total (VA) cos  = fator de potência = P / S
tg φ = Q / P
Fig. 13.1 - O Triângulo de Potências
A ANEEL estabelece que o Fator de Potência deve ser maior ou igual a 0,92, ou cos   0,92 atrasado (indutivo) entre 6:00 e 24:00 horas, e cos  0,92 adiantado (capacitivo) entre 24:00 e 6:00 horas. Consumidores industriais estão sujeitos a multas caso o seu Fator de Potência seja menor do que 0,92, ou 92%. O limite mínimo de 0,92 foi estabelecido por meio prático. Não é economicamente vantajoso realizar a compensação do Fator de Potência de modo a mantê-lo em valores muito próximos ou iguais a 1.
Cargas indutivas apresentam um Fator de Potência atrasado. Para corrigir Fator de Potência indutivo, ou atrasado, introduzimos cargas capacitivas em paralelo com a carga original. Em uma indústria, a compensação do Fator de Potência pode ser geral (na entrada de energia) ou então individualizada por carga ou por alimentador de cargas.
A CEMIG não mede o Fator de Potência de consumidores residenciais, porém mede e realiza compensação nos circuitos alimentadores de rua. Neste caso, a compensação pode ser realizada nas subestações, ou então através de bancos de capacitores montados em postes ou em câmaras subterrâneas para tal finalidade.
11.4 O Circuito de Teste
O circuito de teste consiste em uma carga trifásica Δ equilibrada, constituída por um motor trifásico de 220 V.
ATENÇÃO!
Pense em segurança! Antes de ligar o motor, tenha certeza de que nada está encostando no mesmo. Cuidado com pulseiras, colares e acessórios pessoais. Tomar muito cuidado com o cabelo e com roupas quando o motor estiver girando!
As medições serão realizadas antes e depois de se realizar a compensação do Fator de Potência. A Figura 13.2 mostra o circuito de teste usando o multimedidor CA.
Fig. 13.2 - Conexões para Medição do Fator de Potência
11.5 Medições
a) Com a alimentação trifásica da bancada desligada, montar o motor trifásico ligado em Δ para operação em 220 V, conforme a Figura 13.2. Tomar cuidado nas conexões.
b) Ligar a bancada para alimentar o motor e realizar o primeiro conjunto de medições dos parâmetros usando o multimedidor, conforme solicitado na Tabela 13.1, ANTES da compensação, anotando os resultados.
c) Completadas as medições iniciais, desligar a alimentação trifásica da bancada.
Tabela 13.1 - Parâmetros da Carga Trifásica Δ
	
Parâmetros
	
IR
	
IS
	
IT
	P
Total (W)
	Q
Total (VAr)
	S
Total (VA)
	cos Total
	Medições ANTES da
Compensação
	2,09 A
	1,96 A
	2,1 A
	126 W
	784 VAr
	799 VA
	0,16
	Medições DEPOIS da
Compensação
	-
	-
	-
	-
	-
	-
	0,92
11.6 Uso de Instrumentação Analógica
No caso de se usar instrumentação analógica, o circuito de teste está mostrado na Figura
13.3. Neste caso, usaremos as bobinas do laboratório em série com resistores para limitar as correntes. Os aparelhos devem ser capazes de trabalhar com 220 V. Se algum deles apresentar leitura na direção do início da escala, inverter suas entradas de potencial. O
cossífímetro deve indicar cosseno  indutivo, ou atrasado. Se não indicar, inverter sua entrada de potencial. A potência total será obtida pelo método dos dois wattímetros.
Fig. 13.3 - Medição do Fator de Potência Usando Instrumentação Analógica
Considerações Especiais para Uso de Instrumentação Analógica:
· Atenção! Como o Fator de Potência inicial (sem compensação) pode ser baixo, é possível que o cossifímetro analógico estoure a escala. Se isto ocorrer, remova a entrada de potencial do aparelho e anote na Tabela 13.1 “fim de escala” na coluna de leitura de cos antes da compensação.
· O cossifímetro analógico deve apresentar leitura de cos para o lado atrasado, ou indutivo, em face do tipo da carga que está sendo usada (carga indutiva). Se isto não ocorrer, sua conexão está errada. Inverter sua conexão de potencial para obter a deflexão na direção correta da escala.
· Cuidado com as escalas dos wattímetros e varímetros! Eles deverão ser capazes de operar com 220 V. Verificar os seus multiplicadores de escala, caso existam, antes de anotar as leituras. Exemplo: Varímetro com entrada de 127 V, escala de 600 VAr. Com entrada de 220 V, escala de 1200 VAr.
· Notar que o valor de VA não é medido, mas sim obtido por cálculo usando:
STOTAL = √𝑃2 + 𝑆2.
T	T
11.7 Compensação do Fator de Potência
a) Conhecendo-se então o Fator de Potência e o consumo de energias ativa e reativa atual da carga, calcular a energia reativa QLOCAL a ser fornecida localmente, necessária para corrigir o FP para 0,92:
Usando a Tabela 13.1:	PMOTOR = 126 W QMOTOR = 784 VAr 
Os requisitos da CEMIG são os seguintes:
cos φ = 0,92	onde temos	φ = 23° 	e	tg φ = 0,424
A energia reativa que
a CEMIG concorda então fornecer para o motor é: tg φ´ = Q / P		tg φ´ = QCEMIG / PMOTOR
QCEMIG = tg φ´ x PMOTOR = 0,424* 126 W = 52,42 VAr
Então:	QLOCAL = QMOTOR - QCEMIG = 784- 53,42 = 730,58 VAr
Determinar então o valor de capacitância total requerida pelo motor para corrigir o seu Fator de Potência para 0,92:
QLOCAL = V2 / XC	 XC = V2 / QLOCAL = 62,45 Ω
XC = 1 / 2πf CTOTAL  CTOTAL = 1 / 2πf XC = 
4,26*10^ -5 = 42,6 μf /3 = 14,2 μf por capacitor
b) Como a energia reativa a ser fornecida localmente pelos capacitores refere-se à energia
trifásica reativa total para corrigir o FP para 0,92, o valor de cada capacitor a ser montado entre as fases do motor deve ser a capacitância total dividida por 3.
c) A Figura 13.4 ilustra como ficará a carga Δ com os capacitores de compensação de fator de potência instalados. O valor de cada capacitor individual deverá ser de CTOTAL /3. Os capacitores devem ser do tipo não polarizado, próprios para trabalhar com CA, com tensão de trabalho mínima de 250 V.
C fase = Ctotal /3 =
Fig. 13.4 - Instalação de Capacitores nas Três Fases para Correção do FP
d) Com a carga desligada, montar os capacitores de compensação em paralelo com a carga indutiva, cujos valores devem ser o mais próximo possível daqueles calculados. Se for necessário, fazer associações de capacitores.
e) Após instalar os capacitores, ligar novamente a bancada e realizar o conjunto final de medições das correntes, W, VAr, VA e cos, DEPOIS da compensação do Fator de Potência, anotando os resultados na Tabela 13.1.
Responder:
a) Analisando os valores anotados na Tabela 13.1, é possível constatar que houve melhorias no desempenho do sistema elétrico de um consumidor industrial após a compensação do Fator de Potência? Quais são elas?
Sim, de acordo com os parâmetros da CEMIG o valor calculado da potência reativa estava fora dos parâmetros aceitos pela agência.
b) Quais são os problemas causados por Fator de Potência baixo?
Condutores aquecidos; Perdas de energia; Redução do aproveitamento da capacidade de transformadores; Quanto mais baixo o fator de potência, mais cara a conta de energia. 
c) Se o Fator de Potência de uma carga indutiva for sobre-compensado, qual seria o resultado do ponto de vista da indústria e da CEMIG?
d) Em uma indústria, é melhor realizar a compensação do Fator de Potência da instalação consumidora como um todo, por alimentador ou por carga individual?
É necessário fazer um estudo de cada caso individualmente para ver qual a melhor solução 
e) A CEMIG ainda não mede o Fator de Potência de consumidores residenciais. Por quais motivos?
Porque ela cobra um valor fixado pré fixado em cada conta de luz 
f) Como a CEMIG controla e corrige o FP de um alimentador de rua?
São instalados capacitadores em cada Fase (R,S e T)
g) Qual é a corrente circulante nos capacitores de compensação da Figura 13.4?
h) Além da capacitância e da tensão de trabalho, que outros parâmetros são importantes para a especificação dos capacitores de correção do Fator de Potência? Capitulo 8
i) Como a CEMIG pode controlar e compensar o Fator de Potência de suas linhas de transmissão de longa distância? Descrever dois métodos de compensação.
Reatores na pont das linhas ou motor funcionando como reatores.
j) Porque a CEMIG estabelece que o FP deve ser  0,92 capacitivo entre 0:00 horas e 6:00 horas, se a grande maioria das cargas industriais é indutiva?
146