ele03 basica, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

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CPM - Programa de Certificação de Pessoal de Manutenção

Metrologia

Elétrica Básica

Metrologia Elétrica Básica - Elétrica

© SENAI - ES, 1996

Trabalho realizado em parceria SENAI / CST (Companhia Siderúrgica de Tubarão)

SENAI - Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial DAE - Divisão de Assistência às Empresas Departamento Regional do Espírito Santo Av. Nossa Senhora da Penha, 2053 - Vitória - ES. CEP 29045-401 - Caixa Postal 683 Telefone: (27) 3 325- Telefax: (27) 3 227-

CST - Companhia Siderúrgica de Tubarão AHD - Divisão de Desenvolvimento de Recursos Humanos AV. Brigadeiro Eduardo Gomes, n° 930, Jardim Limoeiro - Serra - ES. CEP 2916 3 -97 0 Telefone: (27) 3 348-13 33

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Medidas Elétricas

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CST 4 Companhia Siderúrgica de Tubarão

Introdução

Os aparelhos de medidas elétricas são instrumentos que fornecem uma avaliação da grandeza elétrica, baseando-se em efeitos físicos causados por essa grandeza. Vários são os efeitos aplicáveis, tais como: forças eletromagnéticas, forças eletrostáticas, efeito Joule, efeito termoelétrico, efeito da temperatura na resistência, etc...

Classificação dos Instrumentos de Medidas Elétricas

Quanto ao princípio de funcionamento;

• Instrumentos eletromagnéticos;
• Instrumentos eletrodinâmicos;
• Instrumentos eletroquímicos;
• Instrumentos dinâmicos.

Quanto à corrente

• Instrumentos de corrente contínua - CC;
• Instrumentos de corrente alternada - CA.

Quanto à grandeza a ser medida

• Amperímetros;
• Voltímetros;
• Ohmímetros;
• Wattímetros;
• Varímetros;
• Fasímetros;
• Freqüencímetros, etc...

Para definições das grandezas (Volt, Ohm e Watt) referentes ao ítem 6.2.1. da Norma da ABRAMAN, favor consultar a apostila de Eletrotécnica.

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SENAI Departamento Regional do Espírito Santo (^5)

Quanto à apresentação da medida

• Instrumentos Indicadores - apresentam o valor da medida no instante em que está sendo feita, perdendo-se esse valor no instante seguinte;
• Instrumentos Registradores - apresentam o valor da medida no instante em que está sendo feita e registra-o de modo que não o perdemos;
• Instrumentos Integradores - apresentam o valor acumulado das medidas efetuadas num determinado intervalo de tempo.

Quanto ao uso

• Instrumentos industriais;
• Instrumentos de laboratório.

Instrumento de Ferro Móvel

Na parte interna de uma bobina, uma chapa de ferro doce fixa é montada em oposição a uma chapa móvel. Se na bobina circula corrente, então ambas as chapas são magnetizadas identicamente em relação aos pólos resultantes, e desta forma, se repelem. Quando se dá a inversão do sentido de circulação da corrente, na bobina, as chapas são novamente magnetizadas identicamente, e continuam se repelindo. Por isto, os instrumentos de ferro móvel são adequados para a medição, tanto de corrente quanto de tensão, em corrente contínua e em alternada. As forças magnéticas das chapas exercem um conjugado sobre o eixo do ponteiro. A grandeza deste conjugado não é proporcional à corrente na bobina, mas sim ao quadrado desta corrente que está sendo medida. Portanto, uma corrente três vezes maior ocasiona uma deflexão do ponteiro nove vezes superior. Por isto, a escala de leitura tem intervalos menores nos valores mais baixos do que nos mais elevados. Por meio de uma forma adequada das chapas no instrumento, é possível corrigir este detalhe, com exceção dos valores bem baixos. Em muitos instrumentos, uma leitura exata apenas é possível na faixa contida entre dois pontos bem destacados sobre a escala. A mola montada sobre o eixo do ponteiro desenvolve um conjugado oposto ao das chapas, levando assim o ponteiro novamente a zero, quando o instrumento é desligado. O ponteiro destes instrumentos não estabiliza imediatamente a sua posição de leitura sobre a escala, em virtude de vibrações do sistema de medição. Por isto, é necessário acrescentar ao sistema câmaras de amortecimento. Este amortecimento é conseqüente da ação entre uma lâmina que se desloca dentro de uma câmara, deslocamento este dificultado pela resistência do ar.

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Instrumento Eletrodinâmico

O sistema de medição eletrodinâmico consiste de uma bobina móvel e uma fixa. Perante a passagem de determinada corrente, as bobinas apresentarão a mesma polaridade e assim levarão o ponteiro à deflexão, por repulsão. A corrente que alimenta a bobina móvel é levada a esta por meio de 2 molas espirais, que, simultaneamente, desenvolvem uma força contrária ao deslocamento angular.

Instrumento eletrodinâmico

Numa inversão do sentido da corrente, ambas as bobinas invertem ao mesmo tempo a sua polaridade. Com isto, as condições de repulsão entre as bobinas não se alteram e a deflexão do ponteiro se dá sempre para o mesmo lado. Por esta razão, o instrumento pode ser utilizado tanto em corrente contínua quanto alternada. Usado como amperímetro ou como voltímetro, ambas as bobinas são ligadas em série ou, perante correntes muito elevadas, são ligadas em paralelo. A principal aplicação deste tipo de instrumento é encontrada nos medidores de potência (Wattímetros). Como a potência é obtida do produto da tensão pela corrente, a bobina fixa é dimensionada como bobina de corrente, e a móvel como de tensão. A potência, em watts, pode assim ser obtida diretamente por simples leitura. Na medição de potências em corrente alternada, a potência indicada é a potência útil, porque apenas aquela parte da corrente efetuará um trabalho, que estiver em fase com a tensão, e assim seu valor P = U x I x cosϕ. O amortecimento é obtido por uma câmara com ar, tal como no instrumento de ferro móvel. Às vezes são empregados instrumentos de medição blindados por uma chapa de ferro, para evitar influências magnéticas presentes no ambiente externo. Neste tipo, a bobina fixa é montada dentro de um anel de ferro fechado e laminado, evitando-se assim a formação de correntes parasitas. A precisão do instrumento é menor devido ao ferro.

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CST 8 Companhia Siderúrgica de Tubarão

Instrumento eletrodinâmico blindado

Instrumento de Indução

Este instrumento se compõe de um corpo de ferro quadripolar, que possui dois pares de bobinas cruzadas entre si. No circuito de corrente de um destes pares de bobinas, inclui-se uma indutância. Disto resulta um deslocamento de fase entre os pares de bobinas e desta forma, a existência de um campo girante. Um tambor de alumínio, montado de tal modo que apresente um movimento giratório, fica sob efeito indutivo deste campo girante. As correntes induzidas neste tambor desenvolvem um conjugado e, com isto, uma deflexão do ponteiro. A força contrária a esta deflexão é conseguida da ação das molas espirais. O amortecimento do instrumento é feito por um imã, em forma de ferradura, cujo campo atua sobre o tambor girante.

O instrumento de medição por indução ou tipo Ferraris

O instrumento de indução, também chamado de instrumento de campo girante ou instrumento de Ferraris, apenas pode ser usado para corrente alternada. Devido à indutância, este instrumento sofre a influência da freqüência.

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CST 10 Companhia Siderúrgica de Tubarão

Sistema de medição com fio térmico

Instrumento Eletrostático

O funcionamento deste instrumento baseia-se na atração recíproca de corpos eletricamente carregados, com polaridades contrárias. o instrumento se compõe de placas fixas e móveis, às quais é ligada a tensão a ser medida. Sobre o eixo do disco móvel, é montado um ponteiro. Uma mola atua no sentido contrário ao deslocamento deste. Instrumentos eletrostáticos se destinam especificamente à medição de tensões elevadas, pois apenas estas são capazes de desenvolver um conjugado suficientemente elevado. O instrumento pode ser usado tanto em corrente contínua, quanto em corrente alternada.

Instrumento Eletrostático

Medição de corrente e de Tensão

Medição de Corrente

Todos os instrumentos destinados a medir correntes, que atualmente são utilizados, baseiam o seu funcionamento na ação magnética da corrente. Medidores de corrente ou amperímetros são ligados em série com o circuito de corrente, apresentando uma pequena resistência interna. Instrumentos de ferro móvel são fabricados para correntes até 250A, enquanto os de bobina móvel são executados para medir correntes de apenas alguns ampères.

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Medição de corrente mais elevadas.

Liga-se exatamente ao instrumento um resistor em paralelo, designado por derivador (antigamente shunt ).

Amperímetro

Caso o amperímetro deva ser utilizado para uma faixa de medição n vezes superior a existente (fator de amplificação n ), então uma parte da corrente passará pelo amperímetro e (n-1) partes deverão passar pelo derivador.

Re sistencia (^) ~

Resistencia do Instrumento R Fator de amplificacao 1

R i R R n n n = i −

Exemplo: A faixa de medição de amperímetro deve ser ampliada de 100 μA para 1A. A resistência interna é de 2 ohms. Qual o tamanho do derivador Rn?

Fator de amplificação:

n R

R

n

= = (^) n = i ohms −

Para a medição de correntes alternadas elevadas, são usados transformadores de corrente.

Medição de tensão

Medidores de tensão ou voltímetros são medidores de corrente com elevada resistência interna. Quando da aplicação de uma tensão, circula nos aparelhos uma determinada corrente, que provoca a deflexão do ponteiro. Devido a resistência interna inalterável do instrumento, a escala pode ser ajustada em volts. Voltímetros são ligados em paralelo com o consumidor ou rede.

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SENAI Departamento Regional do Espírito Santo (^13)

Medição da Resistência

Resistência obtida pela medição da tensão e da corrente.

A determinação da resistência de uma carga pode ser feita por medição indireta. Para tanto, o elemento resistivo é ligado a uma tensão, medindo-se a sua queda de tensão e a absorção da corrente. O valor da resistência é obtido segundo a Lei de Ohms: R = E/I.

Nas medições de grande precisão, devem ser levadas em consideração a resistência interna e a corrente absorvida pelo instrumento de medição.

Ligações para a determinação indireta de resistências

Medição por meio de Ohmímetro.

Ligando-se diversos resistores de valores diferentes a uma mesma tensão, então em cada um aparecerá uma corrente de valor diferente. As grandezas das correntes são inversamente proporcionais aso valores dos resistores. Quando da interrupção de um circuito de corrente, isto é, quando a resistência tem um valor infinitamente elevado, a corrente terá valor nulo. Por estas razões, a escala de um amperímetro pode ser calibrada em ohms e o instrumento utilizado como um ohmímetro.

Ligação do ohmímetro

A escala em ohms começa então com o valor infinito (∞).

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CST 14 Companhia Siderúrgica de Tubarão

Escala do ohmímetro

A fonte de tensão é normalmente uma bateria de 4 volts. O valor da deflexão máxima do instrumento (valor zero) é ajustado mediante o pressionamento do botão de prova (eliminação do resistor Rx) e pelo ajuste do resistor preligado. Quando diferentes baterias são usadas, a tensão exata é obtida por meio de um divisor de tensão.

Pontes de Medição

Compõe-se a ponte de medição de dois divisores de tensão ligados em paralelo, cada um composto de 2 resistores (R 1 - R 3 ) e (R 2 - R 4 ), sob a mesma tensão, acrescentando-se mais um amperímetro (galvanômetro) ligado entre os terminais de um dos divisores de tensão.

Divisores de tensão ligados em paralelo (ligação em ponte)

A ponte se baseia no princípio de que a corrente no galvanômetro é nula, quando a relação entre os valores R 1 e R 2 de um dos lados é igual a

relação R 3 e R 4. Isto significa:

R

R

R

R

1 2

3 4

Os resistores R 3 e R 4 podem ser feitos variáveis, mediante um cursor que desliza sobre o fio metálico. Desta forma, é possível determinar o valor de um resistor Rx desconhecido.

Ligação da ponte de medição

Neste caso: R R x

R

x (^) R

4

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CST 16 Companhia Siderúrgica de Tubarão

Se a deflexão do ponteiro se der no sentido inverso ao desejado, então é necessário inverter a polaridade de uma das bobinas não modificaria o sentido de deflexão.

Nos casos de igual carga para a fase , a potência total é 3 vezes maior que a potência de uma fase. Por esta razão, um medidor de potência pode ser ligado a um dos condutores de fase (A). A bobina de tensão é ligada entre a fase considerada (R) e o condutor neutro ou ponto de estrela.

Ligação do wattímetro para medir a potência de fase

No caso de um sistema de 3 condutores, o ponto neutro é formado artificialmente por meio de 3 resistores, neste caso, o resistor de pré-ligação Rp deve ser menor que os resistores R 1 e R 2 , pelo valor da resistência interna do aparelho Ri , de modo que R 1 = R 2 = Rp + Ri.

Ligação da potência de fase com neutro artificial

No caso de cargas desequilibradas nas diversas fases , a medição pode ser feita por meio de 3 wattímetros.

Medição da potênica total com 3 wattímetros

A potência total é dada pela soma das 3 potências parciais. A bobina de corrente é ligada nas 3 fases, e os terminais das 3

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SENAI Departamento Regional do Espírito Santo (^17)

bobinas de tensão são unidos entre si ou levados a um condutor neutro existente. A ligação com 3 wattímetros é pouco usada, empregando-se mais o sistema de 2 wattímetros, que permite obter o valor total, somando-se os valores medidos em ambos os instrumentos.

Medição de potência total com 2 wattímetros

As bobinas de corrente são inseridas em duas fases externas e as extremidades das duas bobinas de tensão são ligadas àquele condutor de fase, que ainda não recebeu ligação.

Medidores de Energia Elétrica

Generalidades

Para a medição do trabalho elétrico, são empregados medidores de energia elétrica cujos valores são obtidos em função da tensão, da corrente e do tempo. Dependendo do seu emprego, são encontrados diversos tipos, classificados segundo:

1. Tipo de corrente: corrente contínua , alternada monofásica e alternada trifásica. 2. Tipo de medição: medidores de ampère-horas, medidor de watt-horas. 3. Tipo de construção: medidor com motor, medidor de indução, medidor eletrolítico. 4. Medidor de diversas tarifas: medidor que após um determinado tempo passa a um segundo sistema de medição ou um medidor que apenas marca consumo acima de um determinado valor, medida de máxima.

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SENAI Departamento Regional do Espírito Santo (^19)

Medidor de motor para watt-horas.

Este medidor também baseia o seu funcionamento nos motores de corrente contínua e assemelha-se na sua construção ao instrumento eletrodinâmico de medição.

Medidor de watt-horas

Duas bobinas de corrente fixas, pelas quais passa a corrente de carga, originam o campo magnético fixo (campo do estator). O induzido, que é uma bobina de tensão sem núcleo de ferro e formato circular, ligado à tensão da rede, recebe a alimentação da corrente por meio de escovas e um coletor de metal nobre. As forças de frenagem desenvolvem-se devido às correntes parasitas, empregando discos de alumínio e imãs permanentes. O número de voltas depende tanto da corrente como da tensão, em virtude da montagem dinamométrica. O valor medido ao longo de um certo tempo é dado em kWh.

Para a compensação das perdas devido ao atrito, acrescenta-se uma bobina auxiliar. Esta bobina é ligada ao circuito de corrente do induzido e fica assim permanente sob tensão. É de se observar, porém, que esta bobina auxiliar poderá fazer com que o induzido gire mesmo sem carga, quando ocorre uma sobretensão ou aparecem vibrações mecânicas. Para evitar tal situação, o eixo é dotado de uma lâmina de ferro, a qual é presa pelo imã de frenagem perto da posição deste.

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CST 20 Companhia Siderúrgica de Tubarão

A designação dos terminais dos medidores de corrente contínua e corrente alternada é normalizada.

Designação dos terminais

A ligação de um medidor de watt-horas de dois condutores e de três condutores pode ser vista nas figuras abaixo.

Medidor de watt-horas de dois condutores

Medidor de watt-horas de três condutores

Medidor eletrolítico

Este medidor baseia-se na decomposição eletrolítica de um líquido. Nesta decomposição, dá-se a liberação de hidrogênio ou metal. A quantidade que se desprende é proporcional à corrente e ao tempo, podendo, desta forma, ser usada como uma medida das ampères- horas. Tais medidores podem apenas ser usados em corrente contínua.

Medidor de Corrente Alternada

Funcionamento

Um disco de alumínio, montado de tal forma que possa girar horizontalmente, fica sob a ação de diversos compos magnéticos alternados próximos. Por meio destes campos aparecem no disco correntes parasitas. Os efeitos magnéticos destas correntes influem entre si e originam a rotação do disco.