Federal University of Campina Grande, Brazil

MEDIDOR VIRTUAL PARA ENSAIOS EM MATERIAIS MAGNÉTICOS E TRANSFORMADORES
ANGELO M. A. ALMEIDA, FRANCISCO C. F. GUERRA, RAIMUNDO C. S. FREIRE, BENEDITO A. LUCIANO
Departamento de Engenharia Elétrica, UniversidadeFederal de Campina Grande
Rua Aprígio Veloso, 882 – Bairro Universitário, CEP 58429-140, Campina Grande - PB
E-mails: [email protected], [email protected],
[email protected], [email protected]
Abstract
 This article describes a virtual instrument to be used in tests of magnetic materials and transformers. The main functions of the instrument are digital oscilloscope, spectrum analyzer and transient recorder. The hardware consists of 16 bits, 250
kS/s, 8 analog inputs (multiplexed) data acquisition card and a personal computer. The software was developed in LabVIEW,
version 8.2. Very accurate and fast measurements can be accomplished, such as saturation curves, hysteresis loops, magnetic
losses, characteristic values of current, voltage and magnetic flux waveforms, besides spectral analysis and transient waveform
recording, related to inrush currents and ferroresonance in transformers.
Keywords
 Magnetic materials, transformers, virtual instruments.
Resumo
 Este artigo descreve um instrumento virtual a ser empregado em testes de materiais magnéticos e transformadores.
As principais funções do instrumento são: osciloscópio digital, analisador de espectro e registrador de transitórios. O hardware
consiste em uma placa de aquisição de dados de 16 bits, 250 kS/s, oito entradas analógicas multiplexadas. O software foi desenvolvido em LabVIEW, versão 8.2. Medições precisas e rápidas podem ser realizadas, como determinação de curvas de saturação,
laços de histerese, perdas magnéticas, valores característicos de formas de onda de correntes, tensões e fluxos magnéticos, além
de análise espectral e registro de formas de onda de caráter não repetitivo, relacionadas a correntes de inrush e ferroressonância
em transformadores.
Palavras-chave
 Materiais magnéticos, transformadores, medidores virtuais.
1
2 Descrição do Medidor Virtual
Introdução
2.1 Características Gerais do Medidor
Um instrumento virtual consiste na associação de
elementos de hardware e de software para aplicações
nos campos de medição e controle. O hardware é
composto por uma placa de aquisição de dados com
entradas que convertem as grandezas analógicas em
grandezas digitais correspondentes, de modo simultâneo ou multiplexado, além de um computador pessoal portátil ou de mesa. O software consiste em linguagens de programação de propósito geral, como
C/C++, ou linguagens direcionadas à aquisição de
dados, como LabVIEW ou EPICS. A linguagem Matlab também apresenta ferramentas gráficas e rotinas
para aquisição e análise de dados.
Em atividades de medição de grandezas elétricas e
magnéticas, os instrumentos virtuais apresentam inúmeras vantagens em relação aos instrumentos convencionais. Uma delas é o baixo custo de aquisição
de computadores pessoais, quando comparado a um
instrumento de uso específico. A facilidade de adaptação desses instrumentos às necessidades de cada
aplicação evita a compra de hardware de alto custo,
cuja configuração é definida pelo fabricante.
Outra vantagem é a facilidade de operação, mesmo
para usuários pouco experientes.
A linguagem de programação considerada neste trabalho é a LabVIEW, amplamente utilizada em ambientes acadêmicos e industriais.
Os sinais provenientes do sistema em teste devem apresentar amplitudes adequadas às características do medidor. Também deve ser promovida isolação elétrica, resguardando-se a integridade do medidor e do operador. Os resultados das medições são
exibidos em forma de gráficos e vetores na tela do
computador. Apesar de um sistema de aquisição de
dados ser capaz de gerar sinais para controlar outros
dispositivos, as rotinas destinadas a tal finalidade
ainda não foram implementadas neste medidor.
As funções do medidor são três: osciloscópio, analisador de espectro e registrador de transitórios.
Na função osciloscópio, para cada grandeza de entrada, o medidor é capaz de fornecer informações como
valor máximo, mínimo, pico a pico, médio, eficaz,
bem como período, frequência e diferença de fase de
sinais elétricos. Também realiza as seguintes operações matemáticas: inversão, soma, subtração, multiplicação e integração, além da composição do sinal X
versus sinal Y (X – Y) e filtragem. Tais funcionalidades permitem que se possa medir potência elétrica
relacionada a sinais não senoidais com excelente grau
de precisão (wattímetro true RMS). Isto pode ser feito multiplicando-se os sinais correspondentes à tensão e à corrente do circuito e tomando-se em seguida
o valor médio do produto.
635
A interface dispõe dos recursos presentes em um osciloscópio clássico, como é mostrado na Figura 1.
Figura 3. Tela do medidor virtual como registrador de transitórios
2.2 Descrição do Hardware
Figura 1. Tela do medidor virtual como osciloscópio
A placa de aquisição de dados é fabricada pela
National Instruments, tipo NI-PCI-6221, que apresenta os seguintes dados: 16 entradas analógicas multiplexadas de 16 bits, duas saídas analógicas de 16
bits, taxa de amostragem de 250000 amostras por
segundo. O computador utilizado é do tipo desktop.
Como os conversores analógico-digitais têm resolução de 16 bits, resultam 216 = 65536 níveis de quantização. A tensão de pico máxima de entrada da placa
é 10 V. Assim, a resolução do conversor é de 10 /
65536 ≈ 152 µV/nível.
A taxa de amostragem é um fator de suma importância, pois se ela for baixa, os sinais não serão reproduzidos corretamente. Por outro lado, frequencias de
amostragem elevadas resultam em arquivos de dados
desnecessariamente grandes. Na frequencia de 60 Hz,
com a taxa de 60000 amostras por segundo, são obtidas aproximadamente 1000 amostras por ciclo, suficiente para a uma grande variedade de aplicações.
O analisador de espectro, mostrado na Figura 2, é o
elemento que determina o conteúdo de harmônicos
do sinal, dentro da faixa de frequência especificada,
obtendo-se as amplitudes e ângulos de fase da componente fundamental e das harmônicas, assim como a
taxa de distorção harmônica (TDH) do sinal.
Figura 2. Tela do medidor virtual como analisador de espectro
2.3 Descrição do Software
O sistema tem uma faixa de operação que analisa até
a 50ª harmônica da freqüência fundamental de 60 Hz.
Essa faixa é bastante larga para se analisar as harmônicas de maior interesse nos sistemas elétricos.
O registrador de transitórios, cuja tela é mostrada na
Figura 3, é responsável pela gravação de sinais de
caráter não repetitivo de tensão e corrente após a
ocorrência de distúrbios nos sistemas elétricos, normalmente originados por operações de chaveamento
de elementos indutivos e/ou capacitivos, entre outras
causas. O critério adotado para a detecção de um
distúrbio consiste em se estabelecer um nível de tensão de gatilhamento. Quando este valor é atingido, o
sinal é exibido na tela em uma janela de 500 ms, suficiente para que o regime de estado estacionário seja
alcançado. Esta janela pode ser alterada pelo usuário,
dependendo do grau de amortecimento dos sinais de
corrente e tensão do fenômeno transitório considerado. A operação de gatilhamento também pode ser
efetivada a partir de um sinal externo aplicado ao
módulo de entrada do sistema de aquisição de dados.
Dentre as ferramentas disponíveis, a linguagem
de programação gráfica LabVIEW é uma das mais
indicadas para o desenvolvimento de instrumentos
virtuais. Este termo é o acrônimo para Laboratory
Virtual Instrument Engineering Workbench, que
consiste em uma linguagem desenvolvida pela
National Instruments, com aplicações em atividades
de medição e automação (Kring e Travis, 2006).
Os programas em LabVIEW são compostos por um
painel frontal contendo a interface e por diagramas
de blocos, que contêm o código gráfico do programa,
que não é processado por um interpretador, e sim,
compilado.
Usando o conceito do fluxo de dados mediante o
emprego de ícones e estruturas, pode-se executar uma
enorme gama de operações, desenvolvendo-se programas com muito maior rapidez, simplicidade e flexibilidade, em relação aos escritos em linguagens de
programação tradicionais.
Na Figura 4 é apresentado o aspecto de um diagrama
de blocos típico da linguagem LabVIEW.
636
Para fim de isolação, é utilizado um núcleo toroidal
de liga nanocristalina tipo N3E3, fabricado pela
MECAGIS, com diâmetro interno de 2,5 cm, diâmetro externo de 4,0 cm, área de seção reta de 0,9 cm2,
indução de saturação de 0,94 T e permeabilidade
relativa máxima de 185707, em 60 Hz (Batista et al.,
2007). Em torno do núcleo há um enrolamento primário de 100 espiras e um secundário de 20 espiras.
Mediante a função osciloscópio, foram obtidos oscilogramas da tensão no secundário e da corrente de
excitação no primário, bem como o laço dinâmico
relativo ao fluxo de enlace (obtido por integração
numérica da tensão ue da Figura 5) versus corrente de
excitação, como é mostrado nas Figuras 7, 8 e 9.
Figura 4. Leitura de grandeza analógicos usando o LabVIEW
3 Aplicação do Medidor Virtual
Os medidores virtuais têm sido cada vez mais
empregados, inclusive em ensaios de materiais magnéticos e transformadores (Carminati e Ferrero, 1992,
Kis et al., 2004; Luciano et al., 1999, Pólik et al.,
2007). Medições precisas e rápidas podem ser realizadas, como determinação de curvas de saturação,
laços de histerese, perdas magnéticas, valores característicos de formas de onda, além de análise espectral e registro de surtos de correntes de magnetização
em transformadores (correntes de inrush).
O medidor foi testado fazendo-se medições em um
transformador monofásico de 110/220 V, 1 kVA,
com núcleo de liga ferro-silício de grãos não orientados (GNO), usando-se a montagem da Figura 5.
Figura 7. Tensão no secundário do transformador
Figura 8. Corrente de excitação no primário do transformador
Figura 5. Circuito utilizado para teste do medidor virtual
O sensor de corrente de alta precisão, ilustrado na
Figura 6, converte a corrente em tensão proporcional,
através de um amplificador de instrumentação
(INA101), que confere excelente grau de imunidade a
ruídos, no caso de medição de sinais de baixa intensidade. Também são utilizados resistores não indutivos, de resistências R = 0,2 Ω.
Figura 9. Laço dinâmico em 60 Hz – Fluxo de enlace no secundário versus corrente de excitação no primário
Através da função analisador de espectro, foram determinados os harmônicos das ondas da Figura 7 e da
Figura 8, como é mostrado nas Figuras 10 e 11.
Finalmente, utilizou-se a função registrador de transitórios para visualização da forma de onda da corrente
durante a energização do transformador com o secundário em vazio (corrente de inrush), como é indicado na Figura 12. Antes do registro, a tensão no
primário foi elevada até o núcleo saturar e, em seguida, anulada lentamente, anulando também o fluxo
Figura 6. Sensor de corrente utilizado
637
valo, foram obtidas algumas medidas do valor RMS
da tensão no secundário utilizando os instrumentos
acima citados, além do medidor virtual. As medidas e
o Desvio Médio Percentual (DMP) são mostrados na
Tabela 1. Esse desvio é a média aritmética dos desvios percentuais apresentados por cada instrumento
anteriormente citado, em relação às medidas efetuadas com o medidor virtual.
Deve-se observar na Tabela 1 que os desvios relativos médios são menores ou iguais a 0,6 %, o que
atesta um grau de exatidão satisfatório ao medidor
desenvolvido.
residual. O valor instantâneo da tensão aplicada no
momento da energização foi feito igual a zero. Para
isto, utilizou-se uma chave síncrona, constituída por
um triac com instante de disparo estabelecido por um
microcontrolador PIC16F877A (Araújo et al., 2009).
Tabela 1. Medições realizadas com o medidor virtual e com outros
instrumentos
Tensão no secundário do transformador ( V )
Medidor
Medidor
Medidor
Medidor
1
2
3
Virtual
20,571
20,450
20,507
20,580
40,808
40,750
40,630
40,660
60,475
60,200
60,452
60,500
80,493
79,700
80,228
80,100
100,665
100,700
100,621
100,500
121,121
121,550
121,130
120,800
140,547
140,750
140,450
140,400
160,488
160,300
160,340
160,200
180,478
179,850
180,030
180,200
200,473
199,700
200,500
200,100
220,306
220,350
220,570
220,800
Figura 10. Espectro de linhas da onda de tensão da Figura 6
Figura 11. Espectro de linhas da onda de corrente da Figura 7
DMP
(%)
-0,285
-0,313
-0,150
-0,600
-0,058
0,032
-0,001
-0,129
-0,250
-0,186
0,121
4 Conclusão
Em relação aos medidores de precisão convencionais, o medidor virtual constitui uma solução de baixo custo, expansível e de fácil manutenção, sendo
baseado em um poderoso ambiente de desenvolvimento como o LabVIEW.
É importante observar que a confiabilidade dos resultados obtidos é garantida não apenas pela excelente
resolução vertical da placa de aquisição de dados (16
bits), mas também pelo elevado graus de exatidão do
sensor de corrente, que apresenta imunidade a ruídos
e à influência da frequência de operação. Tais características são conferidas pelo núcleo de liga nanocristalina, resistores não indutivos e amplificador diferencial monolítico de alta precisão.
O medidor foi originalmente desenvolvido para ensaios em materiais magnéticos e transformadores.
Porém, o mesmo pode ser usado em inúmeras outras
aplicações, podendo-se citar: qualidade de energia,
registro de fenômenos transitórios em redes elétricas
(curtos-circuitos, correntes de inrush e ferroressonância), além de oscilografia e análise harmônica em
diversos campos da engenharia.
Ainda que o sistema tenha sido implementado em
uma arquitetura do tipo desktop, pode-se obter mais
mobilidade e portabilidade com o uso de hardware
com conexão USB, permitindo a implementação do
medidor em notebooks. Isto constitui matéria para
desenvolvimentos que já estão sendo efetuados.
Figura 12. Corrente de inrush registrada durante a energização do
transformador no lado de 110 V
Para se ter uma idéia do grau de exatidão do medidor desenvolvido, foi realizada uma comparação
considerando-se outros instrumentos de medição.
Nessa comparação, foram usados os instrumentos
descritos a seguir.
▪Medidor 1: osciloscópio digital marca Agilent, modelo DSO3062A.
▪Medidor 2: multímetro digital de bancada marca
Agilent, modelo 34401A (true RMS).
▪Medidor 3: multímetro digital portátil marca Minipa,
modelo ET-2517 (true RMS).
No processo de comparação, o valor true RMS de
tensão foi usado como referência, uma vez que esta é
uma das grandezas mais frequentemente medida por
todos os instrumentos. Para esta finalidade, alimentou-se o enrolamento primário do transformador da
Figura 5, sendo a tensão neste enrolamento gradativamente aumentada até o valor nominal. Nesse inter-
638
Agradecimentos
Ao CNPq, à CELTINS, à CAPES, à FAPESQ-PB e à
Fundação Parque Tecnológico da Paraíba, pelo apoio
concedido.
Referências Bibliográficas
Araújo, L. L., Guerra, F. C. F., Freire, S. C. F.
(2009). Desenvolvimento de uma Chave
Síncrona para Chaveamento Controlado de
Transformadores Trifásicos, 8º Congresso
Latino-Americano: Geração e Transmissão de
Energia Elétrica, Ubatuba – SP, Brasil.
Batista, T. C., Luciano, B. A., Lira, J. G. A. (2007).
Caracterização de ligas nanocristalinas em
núcleos toroidais para aplicações eletroeletrônicas. Revista Pesquisa, Vol. 1, No. 6, pp.
859-864.
Carminati, E. e Ferrero, A. (1992) A virtual
instrument for the measurement of the
characteristics of magnetic materials. IEEE
Transactions
on
Instrumentation
and
Measurement, Vol. 41, No. 6, pp. 1005-1009.
Kis, P., Kuczmann, M., Füzi, J. and Iványi, A.
(2004). Hysteresis Measurement in LabVIEW.
Physica B, Vol. 343, pp. 357-363.
Kring, J. and Travis, J. (2006). Labview for everyone
– Graphical Programming Made Easy and Fun,
Third Edition. Prentice Hall.
Luciano, B. A., Morais, M. E., Camacho M. A. G. e
L. E. B. Silva (1996). Um instrumento virtual
para a realização de ensaios de circuito aberto
em transformadores monofásicos, Anais do II
Semetro, pp. 197-201, Curitiba, Brasil.
Pólik, Z., Ludvig, T., Kucsmann, M. (2007).
Measuring
of
the
Scalar
Hysteresis
Characteristic with a Controlled Flux Density
Analog an Digital Integrators. Journal of
Electrical Enginnering, Vol. 58, No. 4, pp. 236239.
639