Instalações Elétricas Laboratório 3 - CORREÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA

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LABORATÓRIO – INSTAL. ELÉTRICAS – MOV. DE TERRA E PAV 1/8 
EXPERIÊNCIA 3 
I. TÍTULO: LÂMPADA FLUORESCENTE 
CORREÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA 
 
II. OBJETIVO: Verificação prática do principio de funcionamento de uma 
lâmpada florescente, bem como de seus equipamentos auxiliares, e na realização 
da correção do fator de potência de uma carga indutiva por meio de um banco 
capacitivo. 
. 
 
III. INTRODUÇÃO: 
 
 
1) Lâmpada Fluorescente 
 
1.1) Constituição 
 
As lâmpadas fluorescentes são lâmpadas de descarga elétrica em baixa 
pressão, de alta eficiência luminosa ( lumens/watts) e longa vida. 
Apresentam-se na forma de um tubo de vidro, fechado nas extremidades, 
onde se localizam os eletrodos, revestido internamente por uma camada de pós 
especiais de propriedades fluorescentes os quais dão aparência leitosa ao tubo 
quando a camada não está acesa. 
 Os eletrodos são constituídos de filamentos de tungstênio enrolado 
helicoidalmente e recoberto com uma camada de material especial cuja finalidade 
é aumentar o poder emissivo (de elétrons) dos eletrodos, sua temperatura de 
operação é da ordem de 950 °C. Nesta temperatura os elétrons são facilmente 
emitidos, com ligeira perda de energia o que permite alta eficiência para a 
lâmpada. 
 
 A lâmpada contém uma pequena gota de mercúrio e também uma certa 
quantidade de gás inerte ( argônio ou criptônio) que tem por finalidade facilitar a 
partida. 
 
 
1.2) Princípio de funcionamento 
 
Ao aquecermos os filamentos de tungstênio ocorrerá uma emissão de 
elétrons e a vaporização do mercúrio; se aplicarmos então uma diferença de 
potência l adequada entre os eletrodos da lâmpada, estes elétrons irão se deslocar, 
chocando-se com os átomos de mercúrio provocando a liberação de elétrons de 
suas órbitas. 
 Os elétrons dos átomos de mercúrio, deslocados, ocupam posições 
instáveis retornando, após um tempo muito breve, às posições primitivas cedendo 
energia acumulada no choque, sob forma de radiações ultravioletas. 
 Obs: A pressão do vapor de mercúrio, os valores da tensão aplicada e da 
corrente elétrica entre os eletrodos devem ser dimensionadas de forma a se obter 
o máximo de radiação ultravioleta num especifico comprimento de onda ( λ = 
2357 A , 1 A = 1 ângstron = 10 –7 mm ) radiação esta imperceptível ao olho 
humano. 
 
 Esta radiação ultravioleta, que se transmite em todas as direções irá se 
chocar coma camada de material fluorescente que reveste as paredes internas da 
lâmpada – é a radiação ultravioleta se transformando em luz visível. Os materiais 
do revestimento agem, portanto, como conversores de freqüência. Quando sobre 
eles incide energia radiante de um certo comprimento de onda (ultravioleta) os 
átomos destes materiais absorvem esta energia e depois emitem em comprimento 
de onda de luz visível ( figura 1) 
 
 Podemos, então, pela seleção do material fluorescente adequado obter 
luz numa determinada cor como verde, azul, rosa, etc. (para iluminação 
decorativa) ou as diversas tonalidades de branco( branca natural, branca fria, luz 
do dia , etc) 
ELETRODO
EMITINDO
ELÉTRONS
CHOQUE COM
ÁTOMO DE MERCÚRIO
EMISSÃO DE ULTRAVIOLETA
CHOQUE DO ULTRAVIOLETA
COM O REVESTIMENTO
FLUORESCENTE GERA LUZ
VISÍVEL 
figura 1 
 
 
1.3) Vida Útil 
 
A vida útil média das lâmpadas fluorescentes comuns é da ordem de 7500 
horas o tempo de duração deste tipo de lâmpada varia conforme o número de 
operações de acender e apagar ocorridas durante o uso, quando o número de 
partidas é reduzida, a vida útil da lâmpada se torna maior, isto ocorre devido ao 
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fato de que existe maior descarga dos eletrodos durante a ignição, além da 
ocorrência de variações na tensão de alimentação, pressão interna e temperatura. 
 
 
1.4) Eficiência luminosa 
 
As lâmpadas fluorescentes apresentam uma eficiência luminosa bem maior 
do que as incandescentes. 
 Em termos comparativos uma lâmpada fluorescente de 40W emite 
aproximadamente o mesmo fluxo luminoso que a lâmpada incandescente de 
200W apresentando, portanto, uma eficiência luminosa cinco vezes maior. 
 
1.5) Efeito estroboscópico 
 
As fontes de luz que funcionam em corrente alternada apresentam a 
característica de uma variação de emissão luminosa de acordo com a variação 
cíclica da corrente. Como filamento da lâmpada incandescente retém calor, esta 
variação não é notada. 
 
 Nas lâmpadas fluorescentes o arco extingue-se totalmente duas vezes por 
ciclo. 
 
 Os cristais dos pós utilizados no revestimento retém a luz por certo 
tempo, variando com o tipo de material fluorescente utilizados como a imagem 
persiste na retina cerca de 1/10 de segundo a variação na iluminação passa 
despercebida, porém, quando uma peça móvel de máquina se encontra em 
movimento giratório a grande velocidade suas partes brilhantes e escuras podem 
coincidir em determinados momentos de sua rotação com os períodos de 
escurecimento da lâmpada, ocasionando o chamado “ efeito estroboscópico”. 
Este efeito, resultante de flutuação do fluxo luminoso emitido pela lâmpada, 
produz uma falsa visão dos movimentos, fazendo com que os objetos móveis se 
apresentem parados, podendo provocar, entre outros inconvenientes, a 
possibilidade de acidentes. 
 
 Para evitar o “efeito estroboscópico” instalam-se reatores duplo de alto 
fator de potência ( ver Equipamentos auxiliares) de tal forma que as lâmpadas 
funcionem defasadas, enquanto uma apaga a outra permanece acesa emitindo luz. 
 
 
 
2) Equipamentos auxiliares 
 
Para sua partida e funcionamento normal toda lâmpada fluorescente 
necessita dos chamados equipamentos auxiliares. 
 
 
2.1) Reator 
 
Um reator na sua forma mais simples consiste de um núcleo de lâmina 
de aço especial sobre o qual se faz um enrolamento de fio de cobre esmaltado. 
 
 Estes componentes são alojados numa carcaça de chapa de aço 
preenchida com resina de poliéster de alta isolação, além de prover o 
aparecimento da tensão adequada para a alimentação da lâmpada o reator 
trabalha também como um elemento limitador de corrente que tenderia a crescer 
indefinidamente durante o processo da ionização. 
 
 Devido à ionização o valor da corrente que circula no circuito “Fonte de 
alimentação / Reator / Eletrodo / Vapor de Mercúrio / Eletrodo” se eleva 
rapidamente, com o aumento da corrente irá aparecer no reator uma força contra 
eletromotriz a qual irá se opor ao aumento de corrente fazendo com que se 
verifique a manutenção da corrente elétrica aos níveis desejados. 
 
 
figura 2 
 
 
2.2) Starter 
 
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A função do Starter nos circuitos com lâmpadas fluorescentes é fornecer 
condições de ignição (aquecimento dos filamentos). 
Tecnicamente o starter é constituido por um bulbo de vidro no interior do qual 
existe um gás inerte (neon, por exemplo) e dois eletrodos internos. 
Um eletrodo fixo e um eletrodo formado por uma lâmina bimetálica (Fig 3) 
ELETRODO MÓVEL
 (BIMETÁLICO)
ELETRODO FIXO
figura 3 
 
 
 O coeficiente de dilatação do metal A (αA) 
é menor que o do metal B (αB) de modo que, se 
ionizarmos, por meio de uma tensão, o gás interno 
do bulbo de vidro a liberação de calor é suficiente 
para dilatar o bimetal. 
 
 Devido a geometria e a relação entre os 
coeficientes de dilatação dos materiais de lâmina 
bimetálica αA > αB o eletrodo móvel se 
movimentará até atingir o elemento fixo, curto 
circuitando os dois eletrodos (Fig 4) 
 
figura 4 
 
 
 Ocorrendo o curto entre os eletrodos a tensão sobre o starter cai a zero e 
a ionização cessa, fazendo com que a lâmina bimetálica volte à posição de origem 
(não ocorrendo a ionização, a temperatura no interior do bulbo cai deslocando o 
bimetal ) podemos observar que o starter funcionará como uma chave que irá 
provocar o fechamento da chamada “malha de partida”, responsável pelo 
aquecimento dos filamentos dalâmpada e sua posterior abertura após ignição da 
lâmpada (Fig 5) 
 
VREDE
REATOR
STARTER
MALHA DE PARTIDA
LÂMPADA FLUORESCENTE
FILAMENTO FILAMENTO
 
figura 5 
 
Obs: convém lembrar que o calor residual existente no bulbo faz com que os 
contatos permaneçam fechados o tempo suficiente para aquecer os filamentos, 
decorridos alguns segundos eles se abrem. Nos terminais do starter se coloca um 
capacitor em paralelo (poliester não metalizado ou cerâmico) da ordem de 500 pF 
cuja finalidade é evitar o faiscamento e a radio-interferência (Fig 6) 
 
 
figura 6 
 
 
Além do reator convencional que para o processo de partida utiliza o “starter”. 
Também é utilizado o reator eletromagnético com partida rápida que mantém 
uma parcela de tensão aplicada aos filamentos, durante e após o processo de 
partida. 
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LÂMPADA
Vf
Vrede
Vf
 
figura 7 
 
Neste tipo de circuito o filamento sempre é percorrido por corrente elétrica e o 
vapor de mercúrio é sempre aquecido. 
 
Atualmente é utilizado o reator eletrônico onde todo o processo descrito acima 
por reatores eletromagnéticos de partida rápida é efetuado por circuitos com 
componentes eletrônicos. 
 
Hoje existe também a lâmpada “fluorescente compacta”, em que foram 
incorporadas toda tecnologia e características das lâmpadas fluorescentes 
tubulares, na forma reduzida, com reator eletrônico incorporado, proporcionando 
as seguintes vantagens, principalmente em relação às incandescentes: 
 
-consumo de energia cerca de 80% menor; 
-durabilidade 10 vezes maior; 
-aquecem menos o ambiente representando redução de carga térmica; 
-tonalidade de cor adequada para cada ambiente, de 2700 a 4000K. 
 
 
 
a) Termistor PTC para partida instantânea sem cintililação; 
b) Supressor de rádio interferência; 
c) Transistores de chaveamento; 
d) Estabilizador da corrente da lâmpada; 
e) Capacitor para operação com ausência de cintilação. 
 
 
a) Termistor PTC 
b) Supressor de rádio interferênciac) Transistores de chaveamento
f) Capacitor
d) Estabilizador da corrente
 
figura 8 
 
 
3) Correção do fator de potência 
 
Vamos considerar uma carga indutiva, representada por sua impedância 
complexa ϕ∠= Z Z& , alimentada por uma tensão alternada de valor instantâneo 
v(t) = √2 . V . sen(ω.t) representada pelo complexo V = V ' 0º . 
Se estamos considerando a carga como indutiva decorre imediatamente ϕ > 0° 
pela Lei de Ohm podemos afirmar que a corrente complexa que irá circular será 
IL = V/Z ; pelo diagrama de vetores girantes (Fresnel) teremos: 
0 V
I
-ϕ
 
V
I
Z = Z ϕ
 
 
figura 9 - A corrente atrasada de um ângulo ϕ em relação à tensão. 
 
 Sabemos por outro lado que a potência ativa em media solicitada pela 
carga vale P = V I cos ϕ se a carga for fortemente indutiva o valor de ϕ será 
elevado o acarretará um cos ϕ pequeno consequentemente se a potência média é 
constante e o valor eficaz da corrente será grande. 
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 De uma forma mais simples podemos dizer que para fornecer a mesma 
potência média a uma dada carga a corrente será tanto maior quanto menor o 
fator de potência. 
 Em instalações elétricas este aumento de corrente é indesejável sob pena 
de se comprometer a instalação, além da parte de custo de fornecimento de 
energia elétrica que se tornará onerosa, função do baixo fator de potência, para se 
contornar este problema surge a necessidade de se corrigir ( aumentar) o fator de 
potência sem alterar o funcionamento da carga. 
 Esta correção é feita instalando-se um capacitor de valor de capacitância 
conveniente, em paralelo com a carga. 
 
V
I
P (W)
Q (VAr)
S (VA)
Q (VAr)
S (VA)
C
C
C
I’
 
figura 10 
 
 Resumindo, ao se instalar o capacitor obtêm-se os seguintes efeitos: 
 
a) Diminuição da defasagem entre tensão e corrente total; 
b) Aumento do fator de potência; 
c) Manutenção da potência média (útil); 
d) Diminuição no valor eficaz da corrente de linha. 
 
Para se dimensionar o valor da capacitância do capacitor de correção basta 
recorrer ao diagrama de potências: 
 
P (W)
Q (VAr)
Q’
Q = SC C
ϕ’
ϕ S
’ (VA
)
S (
VA
)
 
P, S, ϕ, Q – antes da correção 
P, S’, ϕ’, Q’ – após a correção 
 
QC = SC = Q – Q’ 
 SC = Q – P tg ϕ’ 
Q’ = P tg ϕ’ 
 
 
E ainda SC = ω V
2 C 
 
 
Logo C = Q – P tg ϕ’ V em volts 
 ω V2 com : Q em Var 
 ω em rad/s 
 C em farad 
 
 
IV. PARTE EXPERIMENTAL 
 
Material e equipamentos 
 
1 painel didático lâmpada fluorescente 
2 voltímetro CA 
1 amperímetro CA (ferro móvel) 
1 wattímetro 
 Cabos bana-banana 
 
1) Funcionamento do conjunto lâmpada-reator por partida manual 
(starter manual) 
VREDE
REATOR
LÂMPADA
STARTER
MANUAL
MALHA DE
PARTIDA
 
figura 11 
 
 Quando aplicamos a tensão Vrede à entrada do reator temos 180 Vef na 
saída. Como os filamentos se tão frios e a chave (starter manual) aberta não 
ocorrerá ionização, pois são necessários da ordem de 400 Vef para que o vapor de 
mercúrio ionize a frio. Ao fecharmos o starter ocorre a passagem de corrente pela 
malha de partida aquecendo o filamento. Neste instante a tensão no reator cai 
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EXPERIÊNCIA 3 
para aproximadamente 20 Vef devido a baixa impedância dos filamentos em 
comparação com a impedância do reator permanecendo a lâmpada apagada. 
 Após o aquecimento dos filamentos, abrimos a chave (starter manual) 
interrompendo a corrente. Neste instante a tensão no reator tende a voltar ao valor 
de 180 Vef porém como os filamentos estão aquecidos a tensão de ionização a 
quente é mais baixa, da ordem de 150 Vef então a lâmpada ignita. Como volta a 
passar corrente no circuito durante a ionização a tensão do reator tende a cair, 
porém limitando a corrente, a tensão no reator fica em torno dos 130 Vef 
mantendo a descarga no interior da lâmpada. 
 Portanto, a lâmpada permanece acesa até que se desligue a rede. 
 
 
2.1) Verificação prática 
 
a) Montar o circuito da figura: 
REDE V1
Ch2
Ch1
V2
REATOR
 
figura 12 
 
a) Fechar a chave ch1 (com ch2 aberta) e nestas condições verificar o que ocorre 
com a lâmpada. Anotar quais as leituras dos voltímetros V1 e V2 
V1 = ___________ V V2 = ___________ V 
b) Fechar a chave ch2, mantendo ch1 fechada, e nestas condições verificar o que 
ocorre com a lâmpada. Anotar quais as leituras dos voltímetros V1 e V2. 
V1 = ___________ V V2 = ___________ V 
c) Mantendo a ch1 fechada, abrir rapidamente ch2 e verificar o que ocorre com a 
lâmpada. Anotar quais as leituras de V1 e V2 
V1 = ___________ V V2 = ___________ V 
 
3) Funcionamento do conjunto lâmpada-reator por partida automática: 
 
REDE 
REATOR
LÂMPADA
 STARTER
AUTOMÁTICO
MALHA DE
PARTIDA
 
figura 13 - (starter automático) 
 
 Podemos notar que o starter automático executa o mesmo trabalho que 
executaríamos com o starter manual, isto é, fecha a malha de partida através dos 
filamentos e a interrompe após o aquecimento deste. 
 O esquema de ligação é idêntico ao visto anteriormente, apenas 
substituímos a chave manual de partida pelo componente automática. 
 
 
 
3.1) Verificação prática 
 
a) montar o circuito da figura abaixo: 
 
S
V2
REATOR
REDE V1
Ch1
 
figura 14 
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b) fechar ch1 e verificar o que acontece com o starter automático e com a 
lâmpada. Anotar: 
 
As leituras dos voltímetros V1 e V2 : 
V1 = ___________ V V2 = ___________ V 
As leituras do voltímetro V2 durante a comutação do starter: 
V2 ‘ = ___________ V V2 ‘’ = ___________ V V2 ‘’’= ___________ V 
 
4) Correção do fatorde Potência 
 
4.1) Verificação prática 
 
a) montar o circuito da figura a seguir: 
 
REATOR
REDE 
Ch1
V1
ch1 ch2 ch3 ch4
C1 C2 C3 C4
A
0 0 A
V
C = C = C = C = 8 F1 2 3 4 µ
S
W
A
T
T
ÍM
E
T
R
O
 
figura 15 
 
b) fechar a chave ch1 
 
Quais as leituras do voltímetro V1, do amperímetro e do wattímetro. Anotar na 
tabela 1: 
 
c) fechar a chave ch2, mantendo ch1 fechada. Mesmo procedimento item b. 
 
d) fechar a chave ch3, mantendo ch1 e ch2 fechadas. Mesmo procedimento do 
item b; 
 
e) fechar a chave ch4, mantendo ch1, ch2 e ch3 fechadas. Mesmo procedimento 
item b 
 
f) fechar a chave ch5, mantendo ch1, ch2, ch3 e ch4 fechadas. Mesmo 
procedimento item b. 
 
Tabela 1 
C nominal (µF) V (V) I (A) P(W) 
0 
8 
16 
24 
32 
 
 
g) desligar o circuito e desfazer todas as ligações. 
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8/8 
EXPERIÊNCIA 3 
ELETRO II LÂMPADA FLUORESCENTE / CORREÇÃO DO F.P. EXPERIÊNCIA No. 02 
MODALIDADE________________________________ TURNO:__________ DATA:_____/_____/_____ 
 
Nome:___________________________________________________ no. de matrícula: _________________ 
Nome:___________________________________________________ no. de matrícula: _________________ 
Nome:___________________________________________________ no. de matrícula: _________________ 
Nome:___________________________________________________ no. de matrícula: _________________ 
Nome:___________________________________________________ no. de matrícula: _________________ 
 
- No circuito abaixo responda: 
 
 
1) Qual a função dos filamentos internos da lâmpada fluorescente? 
_____________________________________________________________________________________ 
_____________________________________________________________________________________ 
_____________________________________________________________________________________ 
_____________________________________________________________________________________ 
 
2) Porque o gás interno do starter se ioniza antes do que o gás da lâmpada? 
_____________________________________________________________________________________ 
_____________________________________________________________________________________ 
_____________________________________________________________________________________ 
_____________________________________________________________________________________ 
 
3) Em termos comparativos como é a eficiência luminosa da lâmpada fluorescente em relação a 
incandescente? 
_____________________________________________________________________________________ 
_____________________________________________________________________________________ 
_____________________________________________________________________________________ 
_____________________________________________________________________________________ 
 
4) Porque a introdução de capacitores no circuito da lâmpada fluorescente melhora o fator de potência? 
_____________________________________________________________________________________ 
_____________________________________________________________________________________ 
_____________________________________________________________________________________ 
_____________________________________________________________________________________ 
 
5)Preencher a tabela abaixo: 
C nominal (µF) V (V) I (A) P (W) S (VA) FP ϕ Sen ϕ Q Q-Q’ C real 
0 (S/ Cap.) 
C16 (2 Cap.) 
 
IVS ⋅= 
S
P
FP ==ϕcos ϕ⋅= senSQ ''' ϕ⋅= senSQ 
2
V
TgPQ
C
⋅ω
ϕ′⋅−
=