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CIRCUITOS ELÉTRICOS I Diogo Braga Medidas elétricas III Objetivos de aprendizagem Ao final deste capítulo, você deve apresentar os seguintes aprendizados: Analisar a aplicação do galvanômetro em medições de resistência. Aplicar wattímetros em medições de potência ativa. Descrever o método de medição de potência ativa trifásica com dois wattímetros. Introdução A utilização de instrumentos elétricos está presente nos ramos de pes- quisa, instalação de sistemas e manutenção devido à capacidade da aná- lise dos dados obtidos através desses instrumentos possibilitar conclusões referentes ao bom funcionamento de componentes e instalações elétricas. Os medidores de resistência elétrica analógicos, os ohmímetros, utili- zam galvanômetros para a indicação. Como este instrumento mede cor- rentes, é necessário determinar um circuito que torne as duas grandezas equivalentes. Já os medidores de potência elétrica ativa, denominados wattímetros, são capazes da medição do consumo instantâneo de energia elétrica de uma determinada carga. Neste capítulo, você conhecerá os equipamentos de medições das grandezas elétricas resistência e potência ativa, sua constituição e como aplicá-los nos circuitos elétricos. Medição de resistência elétrica Os ohmímetros são medidores de resistência elétrica. Com esse equipamento, torna-se possível a determinação do valor da resistência de um determinado componente ou até mesmo da resistência de um resistor para uma análise de tolerância do resistor. Para que seja possível a utilização de galvanômetros para a medição de resistência elétrica, é necessário elaborar um circuito para a adequação da medição à escala necessária, sendo que o intuito desse circuito é a limitação da corrente que passa no galvanômetro, de forma que este varie sua indicação proporcionalmente ao valor de resistência medido (MEDEIROS FILHO, 1981). Ohmímetro série: Consiste em um circuito de medição que utiliza o galvanómetro para medição de resistência em série com o resistor do qual se deseja obter o valor de resistência. A Figura 1 exemplifica esse circuito, sendo que toda a parte destacada desse circuito faz parte do medidor, e os conectores A e B são os terminais externos onde se conecta o componente a ser medido. Figura 1. Ohmímetro série. Fonte: Leão e Kurokawa (2017). Resistência a ser medida Rint E Ix R Rm A G 1 B Rx Bateria Ohmímetro Série Galvanômetro Para a determinação da escala de medição do instrumento, é necessário saber o valor da resistência interna da bateria e do galvanômetro que serão utilizados no circuito de medição e o valor da tensão da fonte, sendo que o valor da resistência R é utilizado para a melhor adaptação da medição à escala utilizada. Esse é o valor de resistência que deve ser modificado em caso de mudança de escala de medição. É importante ressaltar que a medição será indicada com sentido de giro contrário à medição da corrente do galvanômetro, ou seja, quanto menor o valor da resistência medida Rx maior será a corrente medida pelo galvanômetro. Medidas elétricas III2 O valor da resistência pode ser medido através da seguinte expressão: Rx = E – (Rint + R + Rm) * Ix Ix O funcionamento do ohmímetro será de acordo com as seguintes condições: Quando Rx = 0 Ω Ix = Imax: Quando o valor de resistência medido for igual a zero, curto-circuito nos terminais de medição, a corrente no circuito de medição deve ser igual à corrente de fundo de escala do galvanômetro; Quando Rx = ∞ Ω Ix = 0 A: Quando o valor de resistência medido for muito alto, terminais de medição abertos, o valor de corrente do galvanômetro será igual a zero (Figura 2). Figura 2. Escala de um Ohmímetro série. Fonte: Leão e Kurokawa (2017). (Escala do Equipamento) Ponteiro do Galvanômetro (Fundo de Escala) 0 Imax Rx → ∞ Rx Ix Rx = 0 Como exemplo, um ohmímetro possui as seguintes características: resis- tência interna de 2,2 kΩ (Rint + R + Rm = 15 Ω) e tensão de alimentação de 9 V. Qual será o valor da resistência medida (Rx) quando o galvanômetro estiver indicando uma corrente de 1,5 mA? Rx = = = 3,8 kΩ E – (Rint + R + Rm) * Ix Ix 9 – (2,2 *103) * (1,5 *10-3) 1,5 *10-3 O valor medido nas condições descritas será de 3,8 kΩ. 3Medidas elétricas III Ohmímetro paralelo: Consiste em um circuito fechado em que o me- didor sempre recebe corrente, pois em nenhum momento o circuito está aberto impedindo a passagem de corrente. A carga com a qual seu valor de resistência será medido é ligada em paralelo com o galvanômetro, conforme ilustrado na Figura 3. O benefício desse tipo de ohmímetro é que as escalas de corrente e de resistência são diretamente proporcionais, diferente da escala dos ohmímetros série. Figura 3. Ohmímetro paralelo. Fonte: Leão e Kurokawa (2017). Galvanômetro Resistência a ser medida A A R E B B Rx Ix Rm Rint 1 G 2 Ohmímetro Shunt/Paralelo Bateria Analisando o circuito e utilizando o recurso do método de simplificação de Thevenin, obtemos a seguinte relação de corrente Ix: Ix = E * Rx Rx * (Rint + R) + Rm (Rint + R + Rx) E manipulando a equação acima, podemos determinar o valor de Rx em função da corrente Ix: Rx = E – (Rint + R + Rm) * Ix Ix * Rm * (Rint + R) Medidas elétricas III4 O funcionamento desse tipo de ohmímetro será de acordo com as seguintes condições: Quando Rx = 0 Ω Ix = 0 A: Quando o valor medido for igual a zero, curto-circuito nos terminais de medição, toda a corrente da fonte passará pela carga, sendo assim, o galvanometro não receberá corrente, medindo zero de corrente, devido à divisão da corrente em um circuito paralelo; Quando Rx = ∞ Ω Ix = Imax: Quando o valor de resistência medido for muito alto, terminais de medição abertos, a corrente no circuito de medição deve ser igual à corrente de fundo de escala do galvanômetro, pois apenas o caminho do galvanômetro receberá corrente, medindo assim um valor máximo de corrente (Figura 4). Figura 4. Escala de um ohmímetro paralelo. Fonte: Leão e Kurokawa (2017). (Escala do Equipamento) Ponteiro do Galvanômetro (Fundo de Escala) 0 Imax Rx → ∞ Rx IxRx = 0 Como exemplo, um ohmímetro possui as seguintes características: Re- sistência interna da bateria de 170 Ω, resistência de de escala de 1,80 kΩ, resistência interna do galvanômetro de 100 Ω e tensão de alimentação de 9 V. Qual será o valor medido da resistência (Rx) quando o galvanômetro estiver indicando uma corrente de 4 mA? Rx = = = 1,094 kΩ E – (Rint + R + Rm) * Ix Ix * Rm * (Rint + R) 9 – (170 + 1,8 * 103 + 100) * 4 * 10-3 4 * 10-3 * 100 * (170 + 1,8 *103) O valor medido nas condições descritas será de 1,094 kΩ. 5Medidas elétricas III A interligação na medição de resistências elétricas deve ser feita com circuito dese- nergizado, pois o ohmímetro possui alimentação interna. Em caso de medição de resistências de componentes em um circuito energizado, a leitura da medição será interferida pela alimentação do circuito e o medidor pode ser danificado. Medição de potência elétrica ativa por wattímetro eletrodinâmico A medição de potência elétrica ativa tornou-se necessária no momento em que se iniciou a distribuição e a comercialização de energia elétrica, para que fosse possível quantifi car o consumo de energia em um determinado sistema. Essa grandeza pode ser adquirida através da medição da tensão e da corrente, conforme equação a seguir, se essas grandezas estiverem em fase (FP = 1), mas, em caso de defasagem, deve-se medi-la pela potência instantânea de consumo, sendo que o instrumento wattímetro eletrodinâmico possui essa capacidade (MEDEIROS FILHO, 1983). P = V * I * FP Onde: P é a potência ativa; V é a tensão de alimentação; I é a corrente da carga; FP é o fator de potência. A potência elétrica pode ser medida através de wattímetros eletrodinâmi- cos de forma simples, com indicação direta. Esse equipamento consiste na interação de dois campos variáveis, provocados por dois conjuntos de bobinas,as bobinas fixas, constituídas de duas meias bobinas idênticas e uma bobina móvel que se encontra presa no ponteiro de indicação. Basicamente, esse wattímetro mede a interação entre os campos magnéticos criados pela corrente do circuito e o campo criado pela tensão (tensão aplicada Medidas elétricas III6 na associação série da bobina móvel e em um resistor). A interação dos dois campos provoca um deslocamento do ponteiro, proporcionando a indicação de potência pelo instrumento (MEDEIROS FILHO, 1983) (Figura 5). Figura 5. Wattímetro eletrodinâmico. Fonte: Medeiros Filho (1983, p. 18). 0 Escala θ p BcMolaBc Suporte de material isolante Suporte de material isolanteBp ipip ic ic A Figura 5 ilustra o funcionamento do wattímetro eletrodinâmico, onde a corrente ip é proporcionada pela tensão e a corrente medida do circuito é descrita como ic. Para a obtenção de uma corrente em fase com a tensão medida, os wat- tímetros eletrodinâmicos possuem um resistor em série com a bobina Bp, conforme a Figura 6. O wattímetro deve ser conectado de forma a interromper um trecho do circuito (bobina Bc), medição de corrente, e estar em paralelo à carga (bobina Bp), onde será medida a potência, medição de tensão, conforme ligação da Figura 6 (MEDEIROS FILHO, 1983). 7Medidas elétricas III Figura 6. Interligação wattímetro. Fonte: Medeiros Filho (1983, p. 21). v Z BC BP RP i ± Os wattímetros analógicos convencionais são ligados com a mesma inten- ção do esquema da Figura 6, mas alguns possuem terminais diferentes para interligação de corrente e tensão, conforme representado na Figura 7, a fim de possibilitar a ligação de transformadores de corrente, para medição de potências mais altas (MEDEIROS FILHO, 1983). Figura 7. Ligação típica de um wattímetro comercial. L1 I V OUT COMFONTE L2 CARGA WATTÍMETRO Medidas elétricas III8 Na Figura 7, destaca-se que o wattímetro possui as entradas para medição de tensão V e COM (bobina Bp) e para a medição de correntes I e OUT (bobina Bc) independentes. Para saber mais sobre as características, especificações e interligações de um wattímetro, leia o manual de Instruções Indicador Analógico (KRON, 2008). Medição de potência elétrica de cargas trifásicas A medição de potência ativa trifásica de uma carga desequilibrada ligada em estrela com neutro pode ser obtida através da soma das potências monofásicas. Sendo assim, se aplicados três wattímetros em um circuito trifásico medindo as potências monofásicas em relação ao neutro do sistema, conforme a Figura 8, e somando a medição dos três, obtém-se o valor total da potência absorvida (SENRA, 2011). Figura 8. Medição de potência ativa trifásica de uma carga desequilibrada por três wattímetros. FO N TE CA RG A WATTÍMETRO I V OUT COM WATTÍMETRO I V OUT COM WATTÍMETRO I V OUT COM L1 L2 L3 N 9Medidas elétricas III O método representado na Figura 8 não pode ser aplicado ao circuito ligado a três fios, com carga em triângulo ou em estrela sem neutro, sendo necessário outro tipo de ligação dos wattímetros para a medição nessas condições. O método dos dois wattímetros consiste na determinação da potência total da carga, medindo a corrente de duas linhas, e da tensão de duas linhas, sendo que a medição de tensão o que diferencia os métodos de três e dois wattímetros (SENRA, 2011). Figura 9. Medição de potência ativa trifásica de uma carga desequilibrada por dois wattímetros. FO N TE CA RG A WATTÍMETRO WATTÍMETRO I I V V OUT OUT COM COM L1 L2 L3 Considerações quanto à medição de potência ativa trifásica de uma carga desequilibrada por dois wattímetros. Os wattímetros representados na Figura 9 devem estar conectados de acordo com o sistema, pois a inversão dos terminais acarretará em erro de medição. Se conectado de forma correta, a potência da carga pode ser obtida através da soma da leitura dos dois wattímetros. A referência de tensão (Conexão do terminal COM) deve ser a mesma para os dois wattímetros, sendo que na fase de referência não se mede corrente. Medidas elétricas III10 Para a medição de potência ativa em circuitos trifásicos equilibrados é necessária a utilização de apenas um wattímetro, sendo que: Se a medição for realizada em um circuito a quatro cabos, com comum do wattímetro conectado no neutro do sistema, o valor de potência é obtido através da multiplicação do valor indicado por três. Se a medição for realizada em um circuito a três cabos, com comum do wattímetro conectado em uma das fases, o valor de potência é obtido através da multiplicação do valor indicado pela raiz de três. Para mais exemplos de instrumentos de medição de potência, leia Instrumentos e Medidas Elétricas (SENRA, 2011). KRON. Manual de Instruções Wattímetro: indicador analógico. São Paulo: Kron Instru- mentos Elétricos, 2008. Disponível em: file:///C:/Users/dbcos/Downloads/K0024_-_ Wattimetro_e_Var%C3%ADmetro_EW96-EW144-EV96-EV144__Rev03_%20(1).pdf. Acesso: 14/12/2017 as 15:15 LEÃO, F. B.; KUROKAWA, S. Capítulo 4: ohmímetros. São Paulo: Unesp, 2017. Disponível em: <http://www.feis.unesp.br/Home/departamentos/engenhariaeletrica/capi- tulo-4_medidas-eletricas_fabiobleao.pdf>. Acesso em: 09 jan. 2018. MEDEIROS FILHO, S. Fundamentos de Medidas Elétricas. 2. ed. Rio de Janeiro: Guana- bara, 1981. MEDEIROS FILHO, S. Medição de Energia Elétrica. 3. ed. Rio de Janeiro: Guanabara, 1983. SENRA, R. Instrumentos e Medidas Elétricas Editora. São Paulo: Baraúna, 2011. Leitura recomendada BALBINOT, A.; BRUSAMARELLO V. J.: Instrumentação e Fundamentos de Medidas. 2. ed. São Paulo: LTC, 2011. v. 2. 11Medidas elétricas III http://www.feis.unesp.br/Home/departamentos/engenhariaeletrica/capi- Encerra aqui o trecho do livro disponibilizado para esta Unidade de Aprendizagem. Na Biblioteca Virtual da Instituição, você encontra a obra na íntegra. Conteúdo:
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