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U n i ve r s i d a d e T e c n o l ó g i c a F e d e r a l d o P a r a n á
Departamento Acadêmico de Eletrotécnica
Curso de Engenharia Industrial Elétrica
Ênfases em Automação e Eletrotécnica
PROJETO E IMPLANTAÇÃO DE UM LABORATÓRIO DE ENSAIOS
ELÉTRICOS PARA EMPRESAS FABRICANTES DE LUMINÁRIAS DE
ILUMINAÇÃO PÚBLICA
Ney José Kloster (Orientador), [email protected]
André Dergham Issa, [email protected]
Marcos Eduardo Eidi Kurata, [email protected]
Renato Mauricio Licetti, [email protected]
Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Av Sete de Setembro, 3165 / 80.230-901 / Curitiba-PR
Resumo: Em grandes centros urbanos, a iluminação pública tornou-se um fator necessário para a melhoria da
qualidade de vida e segurança dos habitantes. Com a constante evolução tecnológica das luminárias de iluminação
pública e demanda dos consumidores, é essencial que uma empresa do ramo produza itens de alta qualidade, com
conformidade às normas. Para isso é preciso definir os testes, equipamentos utilizados para cada ensaio e uma
metodologia para realização destes, como exemplo, uma bancada. Assim, satisfazendo exigencias dos clientes e,
economizando dinheiro com equipamentos que acarretam problemas futuros. Neste trabalho é feito um levantamento
dos principais tópicos relacionados a um laboratório de ensaios elétricos para luminárias, como tipo de lâmpadas,
reatores, luminárias e, principalmente, ensaios. Com estes definidos, é possível desenvolver um “layout” para a
bancada com seu respectivo circuito e equipamentos. Então, é criada uma folha de dados com todo o procedimento do
ensaio, em que o operador que o realizará pode anotar os dados obtidos e fazer uma comparação com os dados
esperados, de acordo com as normas. Foi executado pelo menos um ensaio para o preenchimento adequado da folha
de dados e auxiliar futuros operadores a preencher a mesma.
Palavras-chave: Laboratório, ensaios elétricos, iluminação pública, folha de dados, luminárias.
Abstract: In large urban areas, illumination has become a necessary factor to improve the quality of life and safety of
its residents. With constant technological evolution of lighting fixtures and consumer demand, it is essential that a
company produce high quality items with regulatory compliance. To do so, it requires defining the tests, equipment
used for each test and a strategy for the test, for example, a bench, thus satisfying requirements demanded by clients,
and saving money on equipment that could give problems later on. In this work , it is done a survey of the main topics
related to a testing laboratory for electrical fixtures, such as type of lamps, ballasts, fixtures, and especially, testings.
With the tests defined, it’s developed a design for the bench with their respective circuit and deployment of equipment
in the lab. Defining then, a datasheet with the entire assay procedure in which the operator can perform the test record
the data and make a comparison with the expected data, according to the rules. It was performed, at least, one test for
the adequate fulfillment of the data sheet and assist future operators how to fill it.
Keywords: Laboratory, electrical tests, public illumination, datasheet, fixtures.
1. INTRODUÇÃO
Em 21 de outubro de 1879, Thomas Edison revolucionou um conceito já existente e fez-se de um filamento de
algodão carbonizado instalado num bulbo de vidro um instrumento de utilidade essencial, a lâmpada elétrica, o que se
tornaria um bem indispensável ao longo dos nos anos posteriores para a iluminação pública, também. (HARRIS, 1993)
Com processo de evolução, a partir do século XIX, da iluminação pública nas cidades brasileiras melhorou a
qualidade de vida da população visando a modernização do espaço urbano, que estava ligado a um conjunto de
implementações o qual buscavam a melhoria do aspecto da cidade, bem como a salubridade ambiental e segurança
pública.
Com a evolução da exigência do mercado, as empresas do ramo estão em constantes investimentos em pesquisas e
laboratórios de testes, visando a criação de novos produtos conforme as necessidades do mercado.
As aplicações das luminárias de alta eficiência fazem-se presente em moradias, aeroportos, portos, estádios, vias
públicas, áreas de transporte coletivo e eventos, tais como a Copa do Mundo e a Olimpíada, que serão sediadas pelo
Brasil em 2014 e 2016, respectivamente, requerem um maior investimento no setor de iluminação.
DAE LT – Depar tam ento Acadêm ico de E letr otécnica / UTFP R – Univer sidade Tecnológica Feder al do P araná
Considerando que cerca de 3,3% da energia elétrica produzida no Brasil é consumida pelo sistema de iluminação
pública, o que representa em torno de 3444,87 MW, implantação de lâmpadas, reatores e luminárias mais eficientes é de
fundamental importância para evitar desperdícios de energia (ELETROBRÁS, 2006).
2. ILUMINAÇÃO PÚBLICA
Muito tempo se passou desde a época em que as candeias, penduradas em raros e privilegiados pontos, onde era
construído sem nenhum fundamento técnico e longe de qualquer aspiração urbanística, precaríssimos meios de iluminar
os logradouros públicos. Rua iluminada era a que não ficavam totalmente às escuras nas noites em que a lua não estava
para lutar contra a escuridão.
No mundo, lâmpadas de arco voltaico, conhecida como “velas Jablochkokk” foram introduzidas em Paris em 1878
e em 1879, Londres já contava com uma operação de uma série com seis dessas lâmpadas. Nos Estados Unidos foi
desenvolvido um sistema chamado de “Bush” que funcionava com 12 lâmpadas de arco, pouco tempo mais tarde, mais
de 250.000 lâmpadas de arco aberto estavam em funcionamento. (DULCIDIO PEREIRA, 1954, p.8 a 20)
Já no Brasil, em meados do século XVI e início do século XVII, ainda não havia iluminação externa, considerada
na época como iluminação publica, nas cidades e vilarejos do Brasil. As ruas eram iluminadas pela própria luz da lua e
das fracas iluminações provindas das janelas de candeeiros, lamparinas e velas dentro das construções. (LEILA LOBO
DE MENDONÇA, 2004)
O crescimento da população fez com que tivessem melhorias nos centros urbanos em aspectos de infraestruturas,
sendo uma delas a iluminação pública, a qual atua como um instrumento de cidadania, permitindo aos cidadãos usufruir
do espaço público no período noturno com grandes vantagens, tais como: segurança pública no tráfego, previne a
criminalidade, embeleza as áreas urbanas, destaca e valoriza monumentos, prédios e paisagens, facilita a hierarquia
viária, orienta percursos e aproveita melhor as áreas de lazer.
3. ELEMENTOS DE UMA LUMINÁRIA
3.1. Luminárias
Luminária é, de acordo com a Norma ABNT 5461 (1991, p. 64), “aparelho que distribui, filtra ou modifica a luz
emitida por uma ou mais lâmpadas, e que contém, exclusive, as próprias lâmpadas, todas as partes necessárias para fixar
e proteger as lâmpadas, e, quando necessário, os circuitos auxiliares e os meios de ligação ao circuito de alimentação.”
3.2. Lâmpadas
Thomas Edison passou dois anos pesquisando um filamento que proporcionasse boa luz ao ser percorrido pela
corrente elétrica. Em sua busca pela substância perfeita para esse filamento, mandou um agente procurá-la nas florestas
da Amazônia, e outro nas florestas do Japão. Ele achou que a mistura se queimou porque continha ar, e pensou em
alguma maneira para eliminar a hipótese do contato com o ar, como linha carbonizada (uma linha de algodão reduzida à
cinza por combustão). Ele tinha em mente que esse fio agüentaria à corrente elétrica. Em 19 de outubro de 1879, após
muitos fracassos, finalmente conseguiu colocar em uma lâmpada um filamento carbonizado, obtendo uma luz de boa
qualidade. (ALVA EDISON, 2011)
A lâmpada é considerada como o equipamento de maior influência para as características de um ponto
luminoso. Sendo a principal responsável pelo fluxo luminoso, consumo de energia e reprodução de cores do local
iluminado. Ela, possuindo uma alta eficiência, baixo consumo e uma manutenção adequada, proporciona segurança,
conforto visual, qualidade de iluminação, entre outros. (PHILIPS, 2005)
3.3. Reatores
Os reatores são equipamentos auxiliares que servem para promover a descarga elétrica na lâmpada de forma
estabilizada, sem a aparição de cintilações e efeito estroboscópico, responsáveis pelo cansaço visual, e regularizam a
corrente de consumo.
Quando o reator não apresenta características elétricas adequadas à lâmpada, ele estabiliza a corrente acima ou
abaixo da necessária, causando queima prematura ou baixa emissão de luz, além do superaquecimento. No caso de
superaquecimento, além de aumentar o consumo, transforma a energia em calor e prejudica a segurança da instalação,
com risco de curtos-circuitos e incêndios. (DAMBISKI, 2007)
3.4. Capacitores
Os capacitores são um dispositivo de circuito elétrico que tem como função armazenar e fornecer quantidades
finitas de energia. Ele é constituído de duas peças condutoras paralelas, que são chamadas de armaduras, na qual existe
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um material que é chamado de dielétrico (substância isolante que possui alta capacidade de resistência ao fluxo de
corrente elétrica). (RODRIGUES, 2011)
3.5. Ignitores
Ignitores são dispositivos de partida de lâmpadas de descarga e sobrepõe um ou mais pulsos de alta tensão,
normalmente de 0,7 a 4,5 kV, até que seja realizado o fechamento do arco voltaico no tubo de descarga, dando início ao
processo de encandecimento e acendimento da lâmpada e que uma vez acesa, o ignitor para automaticamente, de
produzir os pulsos. O circuito eletrônico do ignitor possui componentes sensíveis à temperatura, sendo a temperatura
máxima permitida na carcaça de 85°C. Devem, portanto, ser instalados em local abrigado de intempéries. (DAMBISKI,
2007)
4. ENSAIOS
Há empresas no mercado que comercializam produtos sem realização de ensaios específicos, apresentando
possíveis falhas tanto de funcionamento quanto de qualidade. Tendo em vista esse fator, as empresas montadoras de
luminárias correm o risco de vender produtos não testados e de baixo rendimento, causando um descontentamento de
seus clientes.
Visando uma melhoria na qualidade dos bens comerciais, é necessário um diferencial no mercado, e para isso
são criados laboratórios para realização de ensaios mecânicos e elétricos, sob normas técnicas. Os ensaios são
realizados para que haja uma certificação de qualidade do produto final comercializado.
São realizados diversos tipos de ensaios, e os mesmos são efetuados em todos os equipamentos decorrente da
luminária.
4.1. Ensaios em Lâmpadas
Os ensaios elétricos a serem realizados nas lâmpadas serão descritos conforme ABNT (Associação Brasileira de
Normas Técnicas). Apenas alguns ensaios são realizados:
4.2. Ensaios em Reatores
Os ensaios elétricos a serem realizados nas lâmpadas serão descritos conforme ABNT (Associação Brasileira de
Normas Técnicas) NBR 13593, 2011. Alguns dos ensaios realizados:
 Ensaio de tensão aplicada ao dielétrico: O reator deverá ser submetido a uma tensão senoidal igual a duas vezes
a tensão nominal de sua alimentação mais 2000 Vca a 60 Hz, durante 1 minuto, aplicado entre as partes vivas
interligadas e o invólucro. Durante este ensaio não deve ocorrer o centelhamento ou perfuração da isolação do
reator. Equipamento utilizado é o Megômetro;
 Ensaio de resistência de isolação: Imediatamente após o ensaio de aquecimento, aplica-se uma tensão contínua
de 500 Vcc, tanto entre as partes vivas interligadas e o invólucro do reator. A resistência elétrica de isolamento
não deve ser inferior a 2MΩ. A leitura da resistência deve ser feita 1mim após a aplicação da tensão. Se o
invólucro for isolante, envolver o reator com uma folha metálica. Equipamento utilizado é o Megômetro;
 Ensaio de elevação de temperatura: Para os reatores internos ou integrados, o valor da temperatura do
enrolamento (tw) e o da elevação de temperatura do reator (∆t) devem permitir que o reator opere em
temperatura ambiente de 65°C. Este ensaio pode ser feito em bancada ou estufa. Equipamentos utilizados são:
termômetro e variador de tensão;
 Medição do fator de potência: Para caso de reatores com fator de potência corrigido, este deve ser igual ou
superior a 0,92 (indutivo ou capacitivo), quando operados em freqüência ou tensão nominais. Equipamentos
utilizados é o voltímetro;
 Medição da corrente de curto circuito: Os limites de corrente estabelecidos na Tabela 1, não deve ser excedido,
com o reator alimentado com 106% do valor da tensão nominal. O Circuito utilizado para medir a corrente
curto-circuito é dado na Figura 1. Equipamentos utilizados são: multímetro e variador de tensão;
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Figura 1 - Esquema de ligação do reator para medição da corrente de curto circuito
Fonte: NBR 13593(2011, P.10)
Tabela 1 – Corrente máxima de curto-circuito
Fonte: NBR 13593(2011, P.10)
4.3. Ensaios em Luminárias
Os ensaios elétricos a serem realizados nas luminárias serão descritos conforme Norma Técnica da CELG
(Companhia Energética de Goiás) NTC 810038, 2010. Alguns dos ensaios realizados:
 Resistência ao isolamento: deve se aplicar uma tensão de 500 V continua, durante um minuto, entre as partes
condutoras e não-condutoras da luminária;
 Corrente de fuga: quando aplicada uma tensão de 242 V as luminárias não devem apresentar corrente de fuga
superior a 0,5 mA entre as partes condutoras e não condutoras. Equipamentos utilizados são: amperímetro e
variador de tensão;
 Acréscimo de tensão da lâmpada, não deve exceder o valor especificado na folha de características da lâmpada
pertinente. No caso de uma lâmpada de sódio não se deve exceder 12 V da tensão obtida nos terminais da
referida lâmpada, quando acesa fora da luminária. Equipamentos utilizados são: voltímetro e variador de
tensão.
4.4. Ensaios em Ignitores
Os ensaios elétricos a serem realizados nas luminárias serão descritos conforme Norma Técnica da CELG
(Companhia Energética de Goiás) NTC-51, 2006. Alguns dos ensaios realizados:
 Rigidez dielétrica: Os ignitores devem ser projetados para suportar uma tensão senoidal duas vezes a nominal
acrescida de 2000 Vca e com no mínimo 2500 Vca, 60 Hz, durante um minuto, entre terminais e o suporte de
fixação;
 Resistência de isolamento: Uma tensão de 500 Vcc, durante um minuto, deve ser aplicada entre os terminais e
o suporte de fixação devendo ser obtida no mínimo uma resistência de 2,5 MΩ;
 Medição da tensão de pulso: Para efetuar a medida, o ignitor deve ser conectado como em uso normal, mas
sem a presença da lâmpada, usando o circuito da figura 26. O ensaio deve ser realizado na faixa de temperatura
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especificada pelo fabricante, com uma carga capacitiva máxima de 1000 pF e a 92% da tensão nominal de
alimentação.
4.5. Ensaios em Capacitores
Os ensaios elétricos a serem realizados nos capacitores serão descritos conforme ABNT (Associação Brasileira de
Normas Técnicas) NBR 9934, 1987. Apenas alguns ensaios são realizados:
 Tensão aplicada entre terminais: o capacitor deve suportar, sem apresentar curto-circuito permanente, uma
tensão de 1,75 vezes a nominal, durante 10 segundos. Equipamento utilizado é o Hipot;
 Medição da capacitância: a capacitância deve estar na faixa de tolerância indicada na identificação do
capacitor. Equipamento utilizado é o Multímetro;
 Ensaio de rigidez dielétrica: o capacitor deve suportar a aplicação de uma tensão de 2500 V durante 1 minuto à
freqüência de 60 Hz senoidal. Equipamento utilizado é o Hipot. (NBR 9934, 1987)
5. LABORATÓRIO
5.1. Acreditação
Acreditação é o reconhecimento da competência técnica de entidades, para executar determinadas atividades de
avaliação da conformidade como calibrações, ensaios, certificação e inspeção, por parte de um órgão de acreditação.
Qualquer laboratório que realize serviços de calibração e/ou de ensaios, que atenda a própria demanda ou de
terceiros, para organização publica ou privada, nacional ou internacional, independentemente do porte ou da área que
atua, pode ser acreditado pelo Inmetro (Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial). A
acreditação do laboratório é concedida por tipo de ensaio para atendimento a uma determinada norma. (INMETRO,
2011)
5.2. Rede Brasileira de Calibração
O significativo aumento da demanda por serviços metrológicos foi significativa causada pelo movimento da
qualidade no Brasil e a substituição da política protecionista, suplantando a capacidade de atendimento dos laboratórios
disponíveis da política econômica. Para organização da infraestrutura dos serviços metrológicos, em 1980, foi criado a
Rede Brasileira de Calibração (RBC).
De forma mais ampla, a RBC atua também no provimento dos serviços metrológicos que estabelecem as
salvaguardas da defesa do consumidor, da construção da cidadania, da saúde, da proteção e preservação do meio
ambiente. (INMETRO, 2011)
5.3. Bancada de Ensaios
A bancada consiste em uma mesa projetada para acoplar os equipamentos juntamente com os circuitos
interligados, de forma que possibilite o operador manuseá-los facilmente e haja segurança nas práticas dos ensaios.
Foi realizada uma projeção do layout da bancada, de tal forma que os equipamentos ficassem melhores distribuídos
e ao alcance do operador, com os comandos devidamente sinalizados por plaquetas, conforme figura 4.
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Figura 4: Layout da Bancada
Fonte: Autoria Própria
Na montagem inicial da bancada, utilizou-se o layout previamente elaborado pela equipe, onde as únicas furações
consideradas foram do disjuntor e do multimedidor, pelo fato de conhecer as dimensões destes. A figura 5 representa a
montagem da bancada.
Figura 5 – Montagem da bancada
Fonte: Autoria Própria
5.4. Circuito
O circuito implantado na bancada foi projeto a partir das necessidades de cada ensaio, assim criando um circuito
único que atendesse todos os atributos, conforme mostra a figura 6.
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Figura 6: Circuito
Fonte: Autoria Própria
5.5. Equipamentos
Os equipamentos necessários para a realização dos ensaios são: osciloscópio, multímetro, variac ou variador de
tensão, wattímetro, megômetro, microhmímetro, medidor de energia, termômetro, voltímetro, hipot e amperímetro, que
serão apresentados a seguir:
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Osciloscópio: é um instrumento (de medição) que permite visualizar graficamente sinais elétricos (formas
de ondas), não apenas isso, ele mostra como é que um sinal elétrico varia no tempo, com dois eixos: o eixo
vertical (Y), que representa a amplitude do sinal (tensão) e o eixo horizontal (X), que representa o tempo;
Multímetro: é um instrumento de medição para resistências, tensões e corrente e, dependendo do modelo
do multímetro, pode-se fazer a medições de temperaturas. Ele pode ser utilizado, também, para avaliar e
analisar grandezas elétricas;
Variac ou Variador de Tensão: é um equipamento alimentado em corrente contínua (CA) cujo objetivo é
poder variar o valor de tensão (e da corrente) eficaz da carga, dependendo de sua aplicação;
Wattímetro: é um instrumento que permite medir a potência elétrica fornecida ou dissipada por um
elemento;
Megômetro: É um aparelho que mede resistências elevadas (na faixa de mega ohms). O aparelho pode ser
adaptado para valores muito maiores ainda, mas neste caso, a própria resistência do meio ambiente, num
dia úmido pode afetar as medidas;
Microhmímetro: é um instrumento que mede resistências muito baixas (na faixa de micro ohms).
Medidor de Energia: O medidor de energia é um instrumento capaz de medir tensão e corrente elétrica,
corrente térmica máxima, potência ativa, fator de potência e frequência;
Termômetro: é um instrumento ou dispositivo utilizado para a medição da temperatura de um componente.
Voltímetro: É um instrumento que faz medição de tensão elétrica;
Hipot: É um instrumento para ensaios de tensão aplicada em corrente contínua, usado em
ensaios de tensão aplicada para testes de isolação em cabos, capacitores e isoladores em
geral. Gera alta tensão com a máxima proteção para o operador;
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Amperímetro: é um instrumento que mede corrente elétrica;
Disjuntor: é o equipamento que protege fios e cabos elétricos contra curto-circuitos e sobrecargas de
energia, proporcionando aplicações seguras e econômicas em instalações elétricas residenciais, comerciais
e industriais. (STECK, 2011);
Botão de Emergência: serve para desligar o circuito caso haja alguma falha ou mau funcionamento. É
essencial para proteção de circuitos, principalmente em bancadas e painéis;
Sinalizador: Indicada para uso temporário como iluminação de alerta, ou ainda, indicará se o circuito está
funcionando de forma adequada, ou terá algum defeito, dependendo da função projetada para ele;
DAE LT – Depar tam ento Acadêm ico de E letr otécnica / UTFP R – Univer sidade Tecnológica Feder al do P araná
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Transformador de Corrente: é um dispositivo que reproduz no seu circuito secundário, uma corrente que
circula no enrolamento primário. Esta corrente não altera a posição vetorial, e tem valor definido e
conhecido. (SIEMENS, 2011);
Borne: serve de ligação elétrica de fios de transporte de energia com condutor envolvido por isolante;
Chave comutadora ou seletora: é o componente cuja função é a de selecionar o contato entre os diversos
componentes elétricos, dependendo de sua utilidade no circuito projetado.
6. PROCEDIMENTOS DOS ENSAIOS
Os procedimentos são conjuntos de ações sequenciais que permitem os operadores realizarem os ensaios de forma
correta e atingirem as metas. De acordo com os resultados obtidos, é possível avaliar a qualidade dos produtos. Foram
feitas folhas de dados com seus respectivos ensaios e procedimentos, conforme figura 7.
Figura 7: Circuito
Fonte: Autoria Própria
De acordo com a figura 9, realizou-se um ensaio para o correto preenchimento da folha de dados, fazendo com
que isso, futuramente, auxilie o operador que fará o teste.
O ensaio escolhido pela equipe foi o de tensão aplicada ao dielétrico, ensaiado no reator. Para esse ensaio foi
utilizado uma placa de aço e um reator curto circuitado, estes dois foram, então, ligados entre si, conforme figura 8.
Figura 8: Circuito
Fonte: Autoria Própria
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Figura 9: Circuito
Fonte: Autoria Própria
7. CONCLUSÃO
Visando a melhoria da qualidade das luminárias, realizamos estudos juntamente com a empresa Fael Luce para
criar um laboratório que tivesse como finalidade a realização dos ensaios elétricos. Para que tal fato tornasse realidade,
foi necessário fazer uma pesquisa sobre o funcionamento das luminárias e os equipamentos auxiliares, além de um
estudo das normas nacionais.
Depois de realizado os estudos, identificamos os ensaios elétricos, além de definirmos as metodologias destes. Para
agregar informações foi realizado visita no laboratório da empresa HidroWats – Indústria e Comércio de Reatores Ltda.
Projetou-se o layout da bancada em software 3D através dos dimensionais dos equipamentos. Idealizamos o
circuito elétrico com finalidade de efetuar os ensaios de forma correta e segura. A montagem da bancada foi executada
de forma parcial devido aos atrasos comerciais e de logística, sendo assim foi possível realizar apenas um tipo de
ensaio, o de tensão aplicado ao dielétrico no reator, pois o hipot já era de posse da empresa Fael Luce.
Deixamos algumas sugestões para outros trabalhos que possam utilizar o trabalho a fim de incrementar novos
processos, tais como: ensaios em luminárias de LEDs – possibilidade de tornar-se a principal luminária na iluminação
pública -; desenvolver um software supervisório que mostre os resultados no computador e gere um relatório; fazer os
cálculos de incerteza dos equipamentos.
8. REFERÊNCIAS