Medidas com o Multímetro Digital

Introdução  as  generalidades  dos  instrumentos  encontrados  em  laboratório.  Praticar  a  utilização  de  suas funcionalidades mais básicas no contexto de medidas sobre circuitos passivos simples. 

Preparação 

É um instrumento de medida que incorpora pelo menos três medidores de grandezas elétricas: voltímetro, amperímetro  e  ohmímetro.  Alguns  multímetros  incluem  ainda  medidas  de  capacitância,  freqüência, continuidade, temperatura e teste de transistores e diodos. 

     VOLTÍMETRO:  usado  para  medir  a  diferença  de  potencial  elétrico  entre  dois  nós  de  um  circuito.  É conectado em PARALELO com os nós do circuito a ser medido. Características principais: 

o     alta resistência de entrada (idealmente ∞), entre 10MΩ e 100MΩ. Essa resistência não depende da escala utilizada e na maioria dos casos pode ser desconsiderada. Entretanto, na medição de circuitos de alta resistência deve-se levar em conta seu valor que é colocado em paralelo com o circuito; 

o     baixa corrente de entrada (idealmente 0). 

     AMPERÍMETRO: usado para medir a intensidade de corrente que circula numa malha do circuito. Deve ser inserido em SÉRIE com o circuito, de modo que a mesma corrente de malha passe a circular pelo amperímetro. Características principais: 

o     baixa resistência de entrada (idealmente 0); 

o     baixa queda de tensão interna (idealmente 0). 

Obs:  Os  amperímetros  digitais  são  baseados  na  medição  da  tensão  (usando  o  voltímetro)  sobre uma resistência interna conhecida e de baixo valor (I=V/R s ). O erro introduzido (queda de tensão em R s ) pode ser significativo na medida de corrente em circuitos de baixa tensão (tipicamente Rs.I < 200mV) e depende da escala utilizada. 

     OHMÍMETRO: usado para medir resistência elétrica num circuito ou elemento de circuito (resistor, diodo, etc). É conectado em PARALELO com os nós a serem medidos. São baseados na medida da tensão 

desenvolvida no circuito a partir da aplicação de uma corrente constante e de valor conhecido. O valor indicado no mostrador já é corrigido para indicar a medida correta da resistência. Características gerais: 

o     Utilizam-se  correntes  de  baixo  valor  (μA-mA)  de  modo  a  minimizar  a  potência  dissipada no circuito. A corrente aplicada depende da escala utilizada. 

o     O circuito a ser medido deve estar DESLIGADO, pois correntes externas introduzem um erro na medida e podem até danificar o instrumento. 

o     A  tensão  máxima  medida  (fundo  de  escala)  é  em  geral  da  ordem  de  centenas  de  mV.  Na maioria dos casos essa tensão não é suficiente para polarizar uma junção PN (diodo, transistor). 

Uma escala específica que possibilita a medida de tensões superiores deve ser usada nesse caso. 

o     Na medição de resistências de baixo valor (<10Ω), a resistência dos cabos do multímetro e dos contatos com o circuito podem ser significativas, induzindo a erros de medida. 

o     Na  medição  de  resistências  de  alto  valor  (>10kΩ)  deve-se  evitar  tocar  o  circuito  diretamente com  as  mãos  pois  a  resistência  da  pele  assim  como  ruídos  induzidos  provocarão  erros  de medida. 

A operação como portfólio do sistema gerador, com a transferência de milhares de MWs entre regiões, só é viável se houver uma infra-estrutura adequada de transporte de energia elétrica. Por esta razão, o Brasil é um dos países de maior intensidade de transmissão28 do mundo, comparável à Rússia. O sistema de transmissão atual, mostrado na fgura abaixo, tem cerca de 80 mil km de linhas de transmissão de alta tensão. Algumas destas linhas, como as que interligam as regiões Sudeste e Nordeste, têm mais de mil km de comprimento. Está prevista a construção de cerca de 40 mil km adicionais nos próximos dez anos. 

Panorama energético mundial

Os principais insumos energéticos usados pela indústria no mundo são o petróleo, o gás natural e o carvão. Esses insumos têm apresentado elevadas taxas de crescimento do consumo, devido, principalmente, ao desempenho das economias emergentes, lideradas pela China e pela Índia.

O crescimento acelerado da demanda, aliado à instabilidade política nas regiões produtoras de petróleo e gás natural e às pressões pela redução das emissões dos gases causadores do “efeito estufa”, traz preocupações sobre o equacionamento da oferta de energia e seu impacto nos preços.

Segurança de suprimento e meio ambiente transformaram a energia em tema crítico. Dez países concentram 85% das reservas mundiais de petróleo e boa parte desses países estão envolvidos em turbulências geopolíticas. A gasolina e o óleo diesel são responsáveis por quase toda a energia consumida no setor de transportes que, por sua vez, contribui com 25% das emissões dos gases de “efeito estufa” dos países industrializados. 

Quanto ao gás natural, 58% das reservas mundiais estão concentradas em apenas três países: Rússia, Catar e Irã. A tendência de “comoditização” do produto, embora contribua para diversificar as fontes de suprimento, faz que os preços de petróleo e do gás tendam a se igualar. Dado que o petróleo ainda é a fonte economicamente dominante, isto signifca que a volatilidade dos preços do petróleo tenderá a “contaminar” os preços do gás natural.

O carvão é responsável por 25% do consumo mundial de energia. Desta parcela, dois  terços são usados para geração de eletricidade, e quase todo o restante para uso industrial. As reservas mundiais de carvão são gigantescas, quase 3,5 vezes maior que as de petróleo e de gás natural. Cerca de dois terços destas reservas estão localizadas em apenas quatro países: Rússia, Estados Unidos, China e Índia.

A maior vulnerabilidade geopolítica está na área do petróleo. As principais  lternativas de redução da dependência do petróleo são: substituição por biocombustíveis e redução do consumo veicular.

A insegurança energética em âmbito mundial deverá persistir ou até piorar, o que poderá elevar os preços do petróleo e do gás natural. Além disso, deverá haver maior pressão pública para medidas de mitigação dos problemas ambientais, tais como a contratação compulsória de energias alternativas e a mistura obrigatória de biocombustíveis aos energéticos tradicionais. Estas medidas deverão aumentar ainda mais os preços da energia.

Maquinas elétricas girantes(II)

1) CONCEITOS ELEMENTARES

As máquinas elétricas rotativas são equipamentos destinados a converter energia mecânica em energia elétrica, ou vice-versa. No primeiro caso elas recebem o nome de motores elétricos e, no segundo, geradores elétricos. O processo de conversão se realiza por meio dos fenômenos estuda-dos e consolidados pelas leis fundamentais da eletricidade e do magnetismo:

• Lei da indução eletromagnética, Lenz-Faraday

• Lei do circuito elétrico, lei de Kirchhoff

• Lei circuital do campo magnético, lei de Ampére

• Lei da força atuante sobre condutor situado em um campo magnético, lei de Biot-Savart

 As máquinas elétricas são projetadas e construídas de forma tal a realizarem com a máxima facilidade e eficiência possíveis o processo de conversão. Elas possuem, basicamente duas partes: uma parte que é fixada ao solo ou a alguma outra superfície, chamada de estator e uma parte móvel montada sobre um eixo, alojada no interior do estator de forma a permitir sua rotação, chamada rotor.

 O que distingue uma máquina elétrica na sua operação como motor ou gerador é o sentido do percurso da energia através dela: no gerador, energia mecânica “entra” na máquina pelo eixo do rotor, atravessa, por meio do fluxo magnético, o espaço estreito existente entre o rotor e o estator chamado entreferro, é convertida em energia elétrica e “sai” pelos terminais do estator. No motor elétrico é exatamente o contrário: energia elétrica “entra” na máquina pelos terminais do estator, atravessa o entreferro, é convertida em energia mecânica disponível no eixo do rotor. Assim, uma primeira e importante qualidade das máquinas elétricas rotativas é que uma mesma máquina pode operar como motor ou como gerador.

 Quanto à natureza da corrente, as máquinas elétricas podem ser de corrente contínua (CC) ou de corrente alternada (CA). Os campos de aplicação dessas máquinas são distintos como será mostrado posteriormente, mas os princípios que governam os seus desempenhos são os mesmos, havendo apenas algumas particularidades de natureza construtiva que as diferenciam.

A lei de Lenz-Faraday, e = - dl/dt, descreve, sob os pontos de vista quantitativo e de sentido,a indução de tensões produzidas por um fluxo magnético que varia no tempo. A conversão eletromecânica da energia ocorre quando a variação do fluxo magnético é provocada por um movimento mecânico rotativo. Nas máquinas elétricas rotativas, as tensões são induzidas em grupos de bobinas que estão ligadas entre si segundo uma determinada ordem, formando os enrolamentos, basicamente, de três maneiras:

1ª) Fazendo girar um campo magnético constante (imã permanente ou criado por corrente

contínua) de forma que as linhas de força do campo enlacem as bobinas. O enrolamento

se encontra montado na parte fixa da maquina denominada armadura ou estator e o flu-

xo magnético é criado na parte rotativa denominada rotor. Os geradores síncronos são

exemplos típicos desta montagem. 

2ª) A armadura e o seu enrolamento giram, enquanto o campo magnético constante produzido por imã permanente ou por corrente contínua é montado na parte fixa da máquina.O enrolamento da armadura é enlaçado no seu movimento rotativo pelas linhas de força do fluxo magnético. As máquinas de corrente contínua são construídas segundo esse modelo.

3ª) O enrolamento da armadura está montado no estator e é alimentado por corrente alternada capaz de criar um campo girante no espaço. O fluxo desse campo enlaça o enrolamento montado no rotor, nele induzindo tensões e correntes. As máquinas de indução constituem o exemplo típico desta montagem.

Tanto as bobinas da armadura quanto as do rotor são enroladas sobre núcleos de ferro que reduzem a relutância magnética ao fluxo que as enlaça. Devido ao ferro da armadura ser submetido também às variações do fluxo magnético, nele, por sua vez, são induzidas correntes que não contri-buem para o desempenho da máquina, pelo contrário, são perdas que aquecem a máquina e afetam o seu rendimento. Os núcleos são montados como pacotes de chapas de aço de espessura reduzida que diminuem os efeitos dessas correntes chamadas correntes de Foucault ou correntes parasitas. O espaço entre o rotor e a armadura ou estator é chamado de entreferro e, por ser de ar, nele se con-centra a maior parte da relutância do circuito magnético no interior da máquina. 

maquinas sincrono elementar

A figura 1.1 representa de uma forma muito simplificada um gerador síncrono monofásico de CA. Este tipo de máquina, apesar de poder ser construída, não existe na prática. Ela serve apenas para fins de estudo. É chamada gerador elementar. O enrolamento da armadura é constituído de uma única bobina de N espiras que estão concentradas em duas únicas ranhuras diametralmente opostas na periferia interna do estator. Quando o rotor girar, acionado por um órgão primário, o fluxo magnético através da bobina vai variar e serão induzidas tensões no enrolamento da armadura.                   

A seção transversal dos dois lados da bobina é indicada pelas letras +a e –a. Os condutores que formam estes dois lados da bobina são paralelos ao eixo da máquina e são ligados em série por conexões nas extremidades, não mostradas na figura. O enrolamento que produz o campo magnéti-co no rotor é alimentado por corrente contínua que é conduzida até ele por meio de escovas de car-vão que deslizam sobre anéis coletores. O rotor gira a uma velocidade constante, acionado por um órgão primário (uma turbina hidráulica ou a vapor nas centrais hidrelétricas ou térmicas) acoplado mecanicamente ao eixo do rotor. Os caminhos do fluxo magnético estão indicados por linhas trace-jadas.

A distribuição espacial da indução magnética B no entreferro é mostrada na figura 1.2 em função do ânguloè ao longo da periferia interna do estator. A forma de onda da indução magnética das máquinas reais pode se aproximar de uma onda senoidal pela conformação adequada da forma das sapatas polares.

À medida que o rotor gira, o fluxo magnético associado à onda de indução magnética enlaça a bobina de N espiras do estator induzindo nela uma tensão e, função do tempo e com a mesma forma de onda da distribuição espacial. A tensão induzida passa por um ciclo completo de valores para cada rotação da máquina de 2 polos da fig.1.1.

  

1- Desenhe, de uma forma simplificada, o enrolamento do estator de um motor elétrico monofásico de 2 e 4 pólos. Suponha que o enrolamento esteja sendo percorrido por uma corrente elétrica. Mostre em ambos os casos a formação dos pólos nos enrolamentos
2- Desenhe, de forma simplificada, o enrolamento do estator de uma máquina elétrica trifásica de 2 e 4 pólos. Numere as bobinas, faça uma ligação entre elas de modo a se obter uma ligação triângulo. Mostre em ambos os casos a formação dos pólos nos enrolamentos quando eles são percorridos por uma corrente trifásica equilibrada. Faça os desenhos para dois instantes das cor-rentes para verificar o sentido de rotação do campo magnético.
 3- Demonstre que dois campos magnéticos pulsativos defasados no espaço e no tempo de 90º elétricos criam um campo magnético girante.

4- Em uma máquina monofásica há um campo magnético pulsativo criado pela corrente i = Im cos Ωt. Demonstre que este campo pulsativo é a resultante de dois campos girantes que giram em sentidos opostos, com a mesma freqüência angular Ω, cuja amplitude é a metade da amplitude do campo pulsativo.

 5- Um pequeno gerador trifásico elementar de 4 pólos possui o seu enrolamento de esta-tor ligado em estrela. Cada bobina possui duas espiras em série e todas as bobinas de uma mesma fase estão em série. O fluxo por pólo é igual a 0,25 Wb e  está senoidalmente distribuído no entre-ferro. O rotor gira a 1800 RPM. Qual a tensão eficaz, entre fases, induzida no enrolamento?