Laboratório de Máquinas Elétricas Utilizando um Sistema de Aquisição de Dados

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1 Laboratório de Máquinas Elétricas Utilizando um Sistema de Aquisição de Dados Mauricélio Alves de Sousa, Eng o Fernando Luiz Marcelo Antunes, PhD Ricardo Silva Thé Pontes, MSc Grupo de Processamento de Energia e Controle Departamento de Engenharia Elétrica Caixa Postal 6001 Campus do Pici Universidade Federal do Ceará ( UFC ) Fortaleza Ce INTRODUÇÃO O presente trabalho exibe a utilização de um Sistema de Aquisição de Dados(SAD) na realização das práticas envolvendo as máquinas elétricas do Laboratório de Máquina Elétricas Industriais da Universidade Federal do Ceará (UFC). A projeto do SAD e sua implementação já foram apresentados no COBENGE 96 e no COBENGE 98, porém é nosso objetivo aqui apresentar resultados experimentais com o sistema operando no cotidiano do laboratório mostrando sua versatilidade e desempenho. O SAD Sistema de Aquisição de Dados é dividido em duas partes distintas: o hardware e o software. O hardware do SAD é baseado no microcontrolador intel 8051 (µc-8051) e circuitos auxiliares; como circuitos de leitura, interfaceamento analógico-digital, interfaceamento digital-analógico e um circuito de multiplexação analógico. O µc-8051 faz o interfaceamento entre a máquina e o computador, sendo responsável pela aquisição contínua dos dados que são armazenados e enviados ao computador de gerenciamneto do sistema via canal serial. O computador de posse dos dados mostrará, através de curvas, as várias quantidades elétricas e mecânicas para fácil observação do comportamento dinâmico e estático das máquinas pelos estudantes durante o experimento. Os sistemas de controle e instrumentação eletrônica podem ser aproveitados para processar a informação contida nos sinais elétricos presentes em cada sistema. No presente trabalho também descrevem-se diversos circuitos usados no condicionamento de sinais e na conversão dos dados, que proporcionam características de sinais com adequação a cada aplicação particular. Esses circuitos são compostos quase que exclusivamente de 352

2 conversores analógicos digitais (A/D) e digitais analógicos (D/A) (também ditos de maneira abreviada, ADC e DAC, respectivamente), filtros ativos, sensores, transdutores, retificadores, transformadores, etc. O software do SAD apresenta uma tela inicial onde o aluno irá informar ao sistema as características dos condicionadores de sinais utilizados no ensaio. A tela principal apresentará um osciloscópio onde se poderá visualizar a forma de onda do sinal que está sendo aquisitado. Os resultados aqui apresentados tomaram como base a realização de duas práticas : Motor de Indução operando em Carga,Gerador CC Auto Execitado operando em Carga. O trabalho descreve as práticas, seus respectivos resultados experimentais exibidos através de interfaces gráficas desenvolvidas no Visual Basic SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS ( SAD) - HARDWARE Sistema De Aquisição De Dados (SAD) Fig.1- Layout para um Sistema de Aquisição de Dados para uma Máquina Elétrica de C.C. / C.A. A Fig 1 mostra o módulo SAD fazendo a interface entre a máquina e o computador. Este módulo baseado no microcontrolador µc8051 fará a aquisição de dados como tensão, corrente e velocidade desta máquina. O µc8051 se encarregará da transmissão dos dados, já digitalizados, para o computador. Esta comunicação FULL-DUPLEX de bps será feita através do canal serial RS- 32C do PC. O computador, então, irá fazer a supervisão da máquina enviando pelo canal serial programas, parâmetros de constantes, etc..., possibilitando ao PC fazer o monitoramento através de curvas características das quantidades medidas da máquina e, então, observar o comportamento dinâmico e estático desta máquina. A figura 2 apresenta um esquema mais detalhado do SAD, dos transdutores de tensão, corrente e velocidade, destacando-se os módulos de 353

3 condicionamneto dos sinais aquisitados, antes de serem enviados ao computador supervisor. Fig.2 - Diagrama de Blocos do Módulo SAD. Aqui nós temos algumas grandezas envolvidas como tensão, corrente e velocidade na aquisição de dados de um motor-gerador e como será feito o tratamento das mesmas para se poder armazenar todos os dados relevantes desta máquina no módulo SAD para uma posterior supervisão de PC. O transdutor tensão é divisor resistivo (DT) que torna a a tensão compatível com os níveis de entrada do conversor A/D. No circuito condicionador de sinal tal tensão terá um refinamento maior como, por exemplo, filtragem de ruídos e acoplamento óptico cujo objetivo e proporcionar isolamento elétrico entre o computador e máquina elétrica. A corrente da máquina passa por um sensor de Efeito Hall, cuja a saída fornecerár uma tensão proporcional à corrente na entrada do sensor. Esta tensão, então, passará pelo circuito condicionador de sinal de modo que seja feito o ajuste necessário para torná-la compatível com os níveis de tensão do ADC A velocidade da máquina é detectada por um sensor de velocidade, que fará a leitura de um trem de pulsos gerado pela rotação de um disco com furos acoplado ao eixo do máquina. 3.0 Multiplexador Analógico O multiplexador analógico,mux, possibilitará que o SAD trabalhe com 64 sinais analógicos diferentes alternadamente, ou seja um sinal de cada vez 354

4 4 0 Módulo de Suporte de Condicionadores de Sinais Fig.3 - SAD para um Grupo de Motores-Geradores. Como o MUX permite que o SAD trabalhe 64 sinais analógicos diferentes, e o Laboratório de Máquinas Elétricas Industriais do Dep. de Engenharia Elétrica da UFC possui 8 grupos motor- gerador então, cada grupo motor - gerador poderá enviar 8 sinais analógicos para serem aquisitados pelo o SAD. Como se sabe todo sinal deverá passar por um condicionador antes ser aquisitados pelo o SAD. Então na proximidade de cada grupo motor - gerador deverá haver um modulo para suporte dos condicionadores de sinais como se observa na Fig. 3. O modulo possui 8 slots semelhantes aos utilizados nos computadores, onde são encaixados os condicionadores de sinais. O módulo também possui duas fontes de alimentação isoladas uma da outra com valores +12, -12 e +5 Volts Sistema de Aquisição de Dados - Software 355

5 Fig. 4 Tela Inicial O interface gráfica apresenta a tela inicial mostrada na Fig 4. Aqui o usuário irá informar ao sistema as condições iniciais dos condicionadores de sinal utilizados no ensaio, isto é, em que slot do módulo de suporte o condicionador está encaixado, qual o tipo de condicionador de sinal se de tensão ou corrente, o modo do sinal se alternado ou continuo, a escala e o nome que a grandeza recebe no ensaio. Ao se pressionar no botão "sair" o software irá armazenar os valores da tela inicial, e apresentar a tela principal que tem a mesma forma de um osciloscópio para visualização da forma de onda do sinal que está sendo aquisitado. Tem também a possibilidade de realizar a aquisição de dois sinais simultaneamente e visualizar estes sinais na tela. O software apresenta o recurso de salvar valores específicos dos sinais para possibilitar a impressão de gráficos. A seguir é exibida a tela principal Fig. 5 Tela Pricipal 356

6 6 0 Resultados Experimentais Os resultados aqui apresentados tomaram como base a realização de duas práticas : Motor de Indução Operando em Carga,Gerador CC Auto Execitado operando em Carga Os equipamentos utilizados nas prática foram : Gerador CC,220 V, 3 KW, 1800 rpm, 13.6 A Motor de Indução Trifásico, 5 hp, (220/380), 1800 rpm, 60 Hz, Cosϕ=0.87 Motor de Indução Operando Com Carga Fig 6 Um gerador CC autoexecitado tendo como carga um banco de lâmpadas incandescentes foi utilizado como carga para o motor de indução. O objetivo desta prática foi apenas visualizar a forma de onda e a defasagem da corrente do motor em relação a sua tensão de alimentação nas situações a vazio e em carga. Deve-se informar que os desenhos do voltímetro e amperímetro presente na figura estão representando na realidade os condicionadores de corrente e de tensão. A Fig 7 exibe as formas de onda tensão e corrente característicos da operação do MIT em vazio. Observa-se um forma de onda da corrente bastante distorcida, além de apresentar uma defasagem bastante acentuada em relação a tensão. Isto ocorre devido ao fato do motor está operando a vazio a corrente fornecida ao motor é somente o necessário para energizar o campo magnético para que funcione, esta corrente altamente indutiva. 357

7 Fig 7 Operação do MIT a Vazio Quando colocado 12 lâmpadas observa-se pela Fig 8 uma melhora acentuada na forma de onda da corrente e diminuição da defasagem da corrente em relação a tensão. Isto ocorreu devido a corrente fornecida é apresenta uma componente resistiva que diminui a influência da componente indutiva da corrente necessária para o funcionamento do motor. 358

8 Fig 8 - Operação do MIT em Carga Gerador CC Auto Execitado operando em Carga A carga utilizada nesta prática foi banco de lâmpadas incandescentes de 220V e 150W O objetivo desta prática foi observar o comportamento da tensão fornecida a carga pelo gerador CC sendo que funcionava nos modos shunt, hipercomposto. Para isto realizou-se a prática nos três modos citados armazenou-se os valores de tensão e corrente de carga a medida que era adicionada as lâmpadas e finalmente foram traçados as curvas de tensão X corrente. Para conseguir que o gerador CC operara-se nos três modos desejados realizou-se os seguintes procedimentos. Gerador Shunt Curto - circuitou-se a bobina Serie S Gerador Hipercomposto Retirou-se o curto da bobina S Gerador Diferencial Inverteu-se os teminais da bobina S Após armazenar alguns pontos através do botão salvar a plotagem deste valores foram obtidos através do menu configuração na tela principal do software. 359

9 Gerador Hipercomposto Gerador Diferencial Gerador Shunt Pelos gráficos observa-se que no modo Hipercomposto a tensão na carga aumenta a medida que a carga aumenta isto ocorre devido ao fato dos fluxos dos enrolamentos serie e shunt estarem se sommando. No modo diferencial a tensão na carga dimui a medida que a carga aumenta isto ocorre devido devido ao fato dos fluxos dos enrolamentos serie e shunt estarem se subtraindo. No modo shunt a tensão de carga dimnui a medida que a carga aumenta mas a diminuição da tensão ocorre de maneira mais lenta e gradual em relação ao modo diferencial. Isto ocorre devido no modo shunt não ter o enrolamento serie para influenciar no funcioanmento da máquina Conclusão 360

10 Com a proximidade da conclusão deste projeto, brevemente os alunos de Eng Elétrica terão oportunidade de utilizar esta ferramenta em sua plenitude. Isto não só irá tornar as práticas mais eficientes como também dará ao aluno uma oportunidade de observar e estudar um sistema moderno de automação cuja a presença é cada vez mais forte nas industrias. 361

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