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BANCADA DIDÁTICA DE CARGAS MECÂNICAS APLICADA EM MIT ACIONADO POR INVERSOR DE
FREQUÊNCIA
FELIPPE DOS S. E SILVA*, VANDEIR P. MARINS
*, CÁSSIO A. DE OLIVEIRA
*, ELVIS L. R. SILVA
*, DARIZON A. DE
ANDRADE*, LUCIANO C. GOMES
*, AUGUSTO W. FLEURY
*, KLEIBER D. RODRIGUES
*.
*Laboratório de Acionamentos Elétricos, Faculdade de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de
Uberlândia
Av. João Naves de Ávila 2121 - Campus Santa Mônica - CX 593 - Uberlândia - MG - CEP 38408-100
E-mails: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected],
Abstract This paper presents the development of a learning platform for testing of rotating electrical machines. The project
consists of the implementation and instrumentation of a mechanical bench for testing electrical machines with power of up to 5
hp. The developed platform allows user interaction, gradual and assisted in all stages, ie, from the choice of the electric machine
to the experimental verification of the dynamic behavior of the tested machine. With this stand it is possible to perform relevant
tests to determine the performance of electric motors, such as measuring voltages and stator currents, speed, torque and power
on to the motor shaft, beyond the curves of torque and current versus speed, power and efficiency versus applied load factor.
Processing of information obtained (measures), uses a data acquisition system controlled by an application developed specifical-
ly for this work in graphical programming "LabVIEW™" language. The study was conducted in steps that were performed ac-
cording to the following description: literature review study of NBR 5383-1/2002, study and simulation of induction motors,
physical design of the stand for testing, specification of sensors and equipment, assembly of stand testing and implementation of
the testing manager application.
Keywords Didactic tools, Test stand, Three Phase Induction Motor.
Resumo Neste trabalho apresenta-se o desenvolvimento de uma plataforma didática para ensaios de máquinas elétricas giran-
tes. O projeto consiste na implementação e automação de uma bancada mecânica para ensaios de máquinas elétricas com potên-
cia de até 5cv. A plataforma desenvolvida permite uma interação do usuário, gradual e assistida, em todos os estágios dos ensai-
os, ou seja, desde a escolha do tipo da máquina elétrica até a verificação experimental do comportamento dinâmico da máquina
ensaiada. Com esta bancada é possível a realização de testes relevantes para determinação de desempenho dos motores elétricos,
como a medição de tensões e correntes de estator, velocidade, conjugado e potência no eixo da máquina ensaiada, além da ob-
tenção das curvas de conjugado e corrente versus velocidade, fator de potência e rendimento versus carga aplicada. Para acio-
namento e processamento de informações obtidas (mensuradas), utiliza-se um sistema de aquisição de dados controlado por um
aplicativo desenvolvido especificamente para este trabalho na linguagem de programação gráfica ―LabVIEW™‖. O trabalho foi
desenvolvido nas seguintes etapas: levantamento bibliográfico, estudo da Norma NBR 5383-1/2002, estudo e simulação dos mo-
tores de indução trifásicos, projeto físico da bancada para ensaios, especificação dos sensores e equipamentos, montagem da
bancada de ensaios e implementação do aplicativo gerenciador dos ensaios.
Palavras-chave Ferramentas Didáticas, Bancada de Ensaios, Motor de Indução Trifásico.
1 Introdução
As máquinas elétricas são elementos fundamen-
tais na conversão eletromecânica de energia, seja na
geração elétrica (geradores) ou nas aplicações em
acionamentos elétricos (motores), constituindo-se
assim em agentes causadores de desenvolvimento
tecnológico e propiciadores de conforto à sociedade.
O motor de indução trifásico (MIT) apresenta-se
atualmente como a melhor opção para acionamentos
controlados, pois possui vantagens sobre o motor de
corrente contínua, dentre elas a inexistência do comu-
tador (Castro, 2014).
Em aplicações destes tipos de máquinas no setor
industrial brasileiro que consome em cerca de 40%
da energia elétrica do país, 2/3 dessa energia é utili-
zada em sistemas motrizes (Eletrobrás, 2013).
Assim, as normas relativas à especificação e
terminologia das máquinas elétricas girantes bem
como a norma de ensaio de MITs, são definidas pela
ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas)
que publicou a norma NBR 5383-1/2002, que especi-
fica os ensaios para determinação das características
de desempenho destes motores de indução trifásico.
A norma NBR 5383-1/2002 estabelece ensaios
para motores acionados com tensões trifásicas senoi-
dais, entretanto a realidade do mercado exige que o
seu acionamento, principalmente em velocidades
variáveis, sejam realizados através de inversores de
frequência. Neste caso, a alimentação do motor passa
a ser não senoidal através de modulação por largura
de pulso (PWM).
Com este intuito, os cursos de Engenharia Elétri-
ca buscam aprimorar a formação dos estudantes por
intermédio de mudanças curriculares e motivação,
empregando aplicações práticas que lhes permitam
desenvolver capacidade de medição e análise de sis-
temas reais. Desta forma, foi elaborado o projeto de
uma bancada de ensaios de máquinas elétricas que
permite realizar uma série de testes a fim de se de-
terminar os parâmetros mecânicos e elétricos das
máquinas ensaiadas e verificar o seu comportamento
dinâmico quando alimentadas por fontes senoidais e
não senoidais.
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2043
2 Descrição do Sistema
A bancada possibilita a realização dos testes re-
levantes para determinação do desempenho dos
MITs. Desta forma, é possível realizar a medição da
tensão e corrente aplicadas nas bobinas do estator,
velocidade e conjugado.
Nela é permitido também a determinação da po-
tência ativa de entrada, potência no eixo, obtenção
das curvas de conjugado sob diferentes condições de
funcionamento e curvas do fator de potência e rendi-
mento com a máquina sendo acionada em regime não
senoidal.
A bancada de ensaios de MITs é composta por
elementos identificados a seguir:
2.1 A Base Estrutural Metálica e Proteção elétrica.
A base estrutural metálica foi projetada para en-
saios de motores com potência de até 5cv com diver-
sos tipos de carcaças, uma vez que ela permite o ajus-
te de posicionamento do motor sob teste de acordo
com o seu tamanho. A base estrutural foi montada
com chapas de aço carbono com espessura de 1/2‖
(meia polegada) de forma a reduzir a vibração do
sistema quando em funcionamento. A bancada permi-
te a conexão dos eixos das máquinas com diferentes
alturas por meio de uma plataforma móvel regulada
onde a máquina sob teste está fixada.
A estrutura possui uma base de borracha ajustá-
vel para um melhor alinhamento com o piso, de for-
PLACA DE
AQUISIÇÃO
DE DADOS
CONVERSOR DE
FREQUÊNCIA
SENSOR HALL
TENSÃO E
CORRENTE
CARGA
RESISTIVA
3kW
CONVERSOR
CA-CCV/I
V/I
V/I
V/I motor
Comunicação ModBus
Velocidade RPM
Torque
V/I Carga Resistiva
V/I
440V
Transformador 1:2
12kVA
220V - 3ϕ220V - 3ϕ
0-10VccCOMPUTADOR PESSOAL
Figura 1. Diagrama de blocos do sistema da bancada de ensaio de máquinas elétricas.
• Base estrutural metálica;
• Placa de aquisição de dados;
• Conversor de frequência;
• Conversor CA-CC;
• Fontes de alimentação;
• Transdutor de efeito Hall;
• Transdutor de conjugado;
• Encoder incremental;
• Máquina de corrente contínua de 4,5cv;
• Motor de indução de 3cv;
• Microcomputador.
A figura 1 apresenta o diagrama funcional dos
elementos citados que compõem a bancada de ensai-
os de máquinas elétricas.
ma a compensar pequenos desníveis, assim a conexão
dos eixos das máquinas com o transdutor de conjuga-
do seja precisa. O projeto da bancada de testes foi
desenvolvido usando o software Cad SolidWorks, a
figura 2 apresenta o desenho da bancada de testes.
A mesma também possui dois botões de emer-
gência que podem ser usados em uma eventual neces-
sidade desligando a bancada da rede elétrica instan-
taneamente.
Para a proteção foram instalados fusíveis ultrar-
rápidos e disjuntores em série com os dos circuitos
elétricos e eletrônicos, a fim de proporcionar uma
proteção mais eficiente e confiável.
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Figura 2. Base estrutural da bancada em chapa de aço carbono 1/2‖ e posição das máquinas elétricas.
A disposição e as informações no painel frontal
da bancada foram elaboradas de forma didática, onde
o estudante poderá encontrar com facilidade as in-
formações necessárias no momento dos testes e en-
saios. A figura 3 mostra o painel frontal de comando
da bancada.
Figura 3. Painel de comando frontal da bancada de ensaios.
2.2 Gerador Corrente Contínua
Com o avanço no campo da eletrônica em
circuitos de grande potência, o conjunto conversor,
comando e motor de corrente contínua mostra-se
economicamente viável. Os motores de corrente
contínua oferecem uma ampla faixa de variação de
velocidade sem prejuízos no desempenho da máquina
acionada.
Os acionamentos de corrente contínua,
compostos por conversores CA/CC e motor, possuem
excelentes propriedades técnicas de comando e
regulação, garantindo: regulagem precisa de
velocidade, aceleração constante e ampla sob
qualquer condição de carga, aceleração e/ou
desaceleração controlada e conjugado constante com
controle pela armadura (WEG ecatalog, 2014).
A figura 4 apresenta o diagrama esquemático de
uma máquina de corrente contínua com excitação
independente a máquina CC está operando como
gerador com campo alimentado pelo conversor CA-
CC alimentando a carga resistiva.
Figura 4. Diagrama esquemático de um motor de corrente contí-
nua com excitação independente.
Para relacionar a corrente Ia com a tensão apli-
cada aos terminais da armadura Vaj, a equação (1) é
obtida.
)(
)()()(
aa
ja
asLR
sksVsI
(1)
2.3 Motor de Indução Trifásico
O motor de indução trifásico (MIT) é utilizado
para converter energia elétrica em energia mecânica
Comando
Geral
Botoeira de
Emergência
IHM
Ra
La
Vaj
EaRfLf
Vf
Ia
If
J
b
T
TL
ω
Encoder
Máquina
CC Transdutor de
Torque
Máquina
Sob Teste Plataforma
Móvel
Pés de Borracha
Ajustáveis
Estrutura
Metálica
Painel de
Comando
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R1 R’2
Rm jXmV1
jX1 jX’2
s
sR
)1(.2'
CACA Motor
3ϕ
VRede
VPWM
Imotor
Conversor Estático
Indireto de Frequência
Entrada
Tensão e Freq.
Fixas
Saída
Tensão e Freq.
Variáveis
IRede
motriz, ou seja, existe transferência de potência atra-
vés dessa máquina.
O MIT é constituído substancialmente de uma
parte fixa, à qual se dá o nome de estator, sendo este
formado por chapas ferromagnéticas, onde se encon-
tram três bobinas enroladas, formando um circuito
magnético. No meio dessas bobinas é posicionado o
rotor, a parte móvel do MIT.
De acordo com Fitzgerald, et al (2006) a relação
entre a rotação, a frequência de alimentação, o núme-
ro de pólos e o escorregamento de um motor de indu-
ção obedecem a equação (2):
)1(120 1 s
p
fn (2)
onde: n = velocidade rotação mecânica (RPM), f1 =
frequência da rede elétrica, p = número de pólos e s =
escorregamento.
O conjugado desenvolvido pelo motor de indu-
ção segue a equação (3):
rm IkT ..1 (3)
onde: T = conjugado no eixo (N .m), ϕm : fluxo de
magnetização (Wb), Ir : corrente circuito do rotor
(A), k1: constante que depende do material e do pro-
jeto da máquina.
Os valores dos parâmetros do circuito elétrico
equivalente do MIT podem ser determinados a partir
dos ensaios a vazio, de rotor bloqueado e das medi-
ções das resistências CC dos enrolamentos do estator.
A figura 5 mostra o circuito equivalente monofá-
sico para o motor de indução trifásico sob teste.
Figura 5. Circuito equivalente monofásico do motor indução.
2.4 Conjunto Conversor de Frequência e Motor de
Indução Trifásico.
A utilização de conversores estáticos de frequên-
cia atualmente compreende o método mais eficiente
para controlar a velocidade dos motores de indução.
Os conversores transformam a tensão da rede, de
amplitude e frequência constantes, em uma tensão de
amplitude e frequência variáveis. Variando-se a fre-
quência da tensão de alimentação, varia-se também a
velocidade do campo girante e consequentemente a
velocidade mecânica de rotação da máquina.
Conversores estáticos indiretos de frequência
com tensão imposta PWM são atualmente os equi-
pamentos mais empregados para a alimentação de
motores de baixa tensão nas aplicações industriais
que requerem variação de velocidade.
A figura 6 mostra o diagrama de blocos que
compõe o conjunto conversor e motor de indução
trifásico.
Figura 6. Diagrama de blocos do conjunto conversor e motor
de indução trifásico.
O motor de indução, quando alimentado por um
conversor de frequência PWM, tem seu rendimento
diminuído, em relação a um motor alimentado por
tensão puramente senoidal, devido ao aumento nas
perdas ocasionado pelas correntes harmônicas. Em
aplicações de motores de indução de gaiola com con-
versores de frequência, porém, deve ser avaliado o
rendimento do sistema (conjunto conversor + motor)
e não apenas do motor, (WEG Motores, 2006).
2.5 Sensores
Uma placa condicionadora de sinais foi constru-
ída para adequar os sinais de corrente e tensão dos
motores ensaiados aos níveis nominais da placa de
aquisição. A placa é composta por quatro sensores
Hall de tensão modelo LV25P e quatro sensores Hall
de corrente modelo LA25P da fabricante LEM. Não
foi utilizado um transdutor de potência pelo fato de
ser possível obter a potência elétrica no motor através
de cálculos matemáticos aplicados aos valores instan-
tâneos de corrente e tensão obtidos por meio dos ou-
tros transdutores hall. Com a placa condicionadora de
sinais, é possível a medição de tensões e correntes
com terras isoladas eletricamente (LEM – 2006).
2.5.1 Transdutores de Efeito Hall
Os transdutores utilizados convertem um sinal
analógico a ser medido em um sinal de tensão tam-
bém analógico de amplitude menor para que possa
ser digitalizado pela placa de aquisição de dados. Seu
princípio de funcionamento está baseado no efeito
Hall.
Os valores de tensão e corrente eficazes são cal-
culados através da equação (4):
n
i
ia aKn
A
1
21 (4)
Onde: n = o número de amostras no intervalo de
um período; ai = o valor instantâneo da tensão ou
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corrente, Ka = fator de escala e A = valor eficaz de
um período de um sinal elétrico.
A potência ativa de entrada do motor sob teste é
obtida através do cálculo matemático da potência
média, a partir dos valores de tensão e corrente. Pode
ser determinada pela equação (5):
n
i
iiivAtiva iKvKn
P
1
1 (5)
Onde: vi = o valor instantâneo da tensão para
amostragem i aplicada ao motor sob teste, ii = valor
instantâneo da corrente para amostragem i de entrada
no motor sob teste, Kv = fator de escala para a tensão,
Ki = fator de escala para a corrente.
2.5.2 Transdutor de Conjugado e Velocidade
O transdutor de conjugado utilizado é o modelo
T22/50NM do fabricante HBM. Este transdutor é
capaz de medir conjugado dinâmico e estático. Tem
fundo de escala de até 50 N.m. O transdutor necessita
de um condicionador de sinais (conversor de fre-
quência-tensão), que produz um sinal de tensão CC
de –10V a +10V proporcional ao conjugado. A velo-
cidade é medida utilizado um encoder com resolução
de 600 pulsos por volta.
As equações para o cálculo de conjugado médio
e da potência no eixo do motor são dadas pelas equa-
ções (6) e (7), respectivamente:
n
i
itMédio tKn
T
1
1 (6)
)()(1
1
iw
n
i
iteixo wKtKn
P
(7)
Onde: ti é o valor instantâneo do conjugado para
amostragem i, Kt e Kw são fatores de escala, wi é o
valor da velocidade para amostragem i, n = o número
de amostras no intervalo de um período.
3 Resultados Experimentais
A NBR5383-1 prescreve os seguintes ensaios
para a determinação de características de desempe-
nho e conformidade com a NBR 17094: a vazio, ro-
tor bloqueado, térmico, de partida, dielétrico, sobre
velocidade, nível de ruído, tensão no eixo e vibração.
A tabela 1 apresenta os dados que foram obtidos
a partir do ensaio a vazio, sendo que as correntes
foram medidas no circuito do estator.
Tabela 1. Medições obtidas a partir do ensaio a vazio.
Outro ensaio realizado é o ensaio em rotor blo-
queado. Segundo a Norma NBR 5383-1, este ensaio
deve ser realizado para determinação da corrente,
conjugado e potência de entrada com rotor bloquea-
do. O ensaio consiste em bloquear mecanicamente o
eixo do MIT. O motor de indução trifásico é alimen-
tado com um valor de tensão suficiente para que se
atinja o valor de corrente nominal. A tabela 2 apre-
senta os dados do ensaio de rotor bloqueado.
Tabela 2. Medições obtidas do ensaio com rotor bloqueado.
Tensão (V) Potência
(W)
I1
(A)
I2
(A)
I3
(A)
Imed
(A)
44,96 348,10 9,02 8,72 8,75 8,67
Vale ressaltar que os parâmetros do circuito
equivalente do MIT são calculados por fase, de modo
que as leituras de tensão e a média das correntes, bem
como de potência, devem ser convertidas para valo-
res de fase, de acordo com o tipo de configuração
(estrela ou triângulo) efetuada para a realização dos
ensaios. Na tabela 3 são apresentados os valores dos
parâmetros do circuito equivalente do MIT em estu-
do, calculados a partir dos ensaios efetuados.
Tabela 3. Valores dos parâmetros do circuito equivalente do MIT.
Através dos parâmetros do circuito equivalente,
é possível levantar por simulação computacional as
curvas características típicas do MIT.
Alguns tipos de cargas mecânicas foram simula-
dos e dentre elas foi escolhida a carga do tipo quadrá-
tica, que são cargas que variam com o quadrado da
rotação e são encontradas em aplicações como venti-
ladores, centrífugas, exaustores (Neto – 2010).
As curvas de conjugado desenvolvido e conjuga-
do de carga quadrática ambos em função da veloci-
dade são mostrados na figura 8.
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 40000
1
2
3
4
5
6
7
Velocidade do Rotor (rpm)
Conju
gado (
N.m
)
Figura 8 - Curva de carga quadrática comparada e curva do con-
jugado do motor de indução trifásico.
Tensão
(V)
Potência
(W)
I1
(A)
I2
(A)
I3
(A) RPM
220 311 4,40 4,38 4,49 3598
R1(Ω) X1(Ω) Rm(Ω) Xm(Ω) R’2(Ω) X’2(Ω)
2,86 3,84 1066,5 81,66 1,77 3,84
Curva de carga
tipo quadrática
Curva de
conjugado
do MIT
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Para validar a eficiência da bancada de testes em
máquinas elétricas foi escolhido um MIT como sendo
a máquina sob teste e na tabela 4 as especificações de
placa desta máquina são mostradas:
Tabela 4. Dados de placa do motor sob teste.
nica é inserida em seu eixo por meio da máquina
primária utilizando-se do controle de conjugado onde
o tipo de carga é selecionado. Nesta aba observa-se
que houve uma inserção de carga no eixo do MIT do
tipo quadrática, assim o controle de conjugado da
máquina primária foi incrementado e a carga resistiva
conectada em série com a armadura e o conversor
CA-CC passou a dissipar energia térmica. Este con-
trole de acionamento independe das abas de visuali-
Figura 9. Primeira aba de controle e visualização dos dados obtidos no ensaio.
Para melhor visualização e análise dos dados, foi
criado uma interface gráfica composta por duas tab
controls (abas) onde os sinais de tensão e corrente
trifásico no conjunto conversor e motor, tensão e
corrente na carga podem ser visualizadas na primeira
aba. A Figura 9 mostra a instrumentação virtual im-
plementada, aqui podemos analisar as formas de on-
das de tensões e correntes na entrada do inversor e a
forma de onda de tensão e corrente na carga.
O controle do acionamento do MIT e o aciona-
mento da máquina primária permite que o estudante
faça os ajustes de forma sequencial. Primeiramente é
feito o acionamento do MIT, onde o sentido de rota-
ção é definido e velocidade é ajustada com valor ini-
cial em 1000RPM. Neste momento uma carga mecâ-
zação dos dados, permitindo assim que a todo o mo-
mento o estudante possa inferir no sistema indepen-
dente da aba que está sendo visualizada.
Na segunda aba são visualizadas as potências de
entrada no conjunto conversor/motor, potência de
saída no eixo do MIT, o gráfico do rendimento per-
centual do conjunto conversor/motor, a velocidade
do eixo do MIT em rotações por minuto e os valores
eficazes de tensão e correntes do sistema calculados
de acordo com a equação (4).
Na figura 10, a segunda aba é mostrada e nota-se
que no momento da inserção de carga o valor inicial
do conjugado da máquina sob teste era de 1,39N.m
onde este conjugado é o mínimo valor para que o
grupo se mantivesse em movimento a vazio.
kW Hz RPM V(V) I(A) η% FP
2,2 60 3450 380 4,8 81,9 0,84
Curva de corrente
na carga
Curva de tensão
na carga
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Figura 10. Segunda aba de controle e visualização dos dados obtidos no ensaio.
Assim que a carga foi incrementada de forma
quadrática, o valor do conjugado aumentou para
3,68N.m operando a uma velocidade de 3354 RPM e
nesta mesma aba são verificadas os valores das po-
tencias elétricas e mecânicas.
A figura 11 mostra a bancada de ensaios de má-
quinas elétricas desenvolvida com os elementos elé-
tricos e eletrônicos já instalados.
Figura 11. Foto da bancada de ensaios de máquinas elétricas.
O valor registrado da eficiência do conjunto
conversor/motor é de 73,81%, sendo que em condi-
ções nominais (dados de fabricante) o valor típico
para esta máquina é de 81,9%. Esta diferença se deve
ao fato do MIT estar operando alimentado por uma
fonte não senoidal evidenciando a queda do rendi-
mento. Estes dados estão disponíveis no painel fron-
tal da bancada que dispõe de um monitor de LCD
conectado ao computador e também de uma interface
homem máquina (IHM) que permite o monitoramen-
to dos parâmetros do inversor de frequência.
4 Conclusões
O presente trabalho apresentou uma bancada di-
dática de testes para motores de indução trifásicos de
potência até 5cv.
Com vistas à padronização dos testes nos moto-
res de indução trifásicos, procurou-se ter como orien-
tação as recomendações da NBR 5383-1, publicada
pela Associação Brasileira de Normas Técnicas.
A implementação da bancada didática possibilita
além de realizar testes com motores elétricos de in-
dução trifásicos, como também familiarizar-se com
algumas das ferramentas computacionais utilizadas
Carga mecânica
Quadrática
1,39N.m
3,68N.m Curva do
Rendimento
40,34%
73,81%
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2049
na engenharia elétrica contemporânea, sendo possível
executar vários testes com modificações simples, pois
a grande importância de se usar o LabView como
ferramenta de instrumentação virtual é que possibilita
a eliminação de muitos instrumentos de medidas, tais
como: osciloscópios, multímetros, wattímetros, anali-
sadores de energia, etc. E com isso uma redução de
custos operacionais. Esta opção deve ser incentivada,
a fim de ajudar a uma melhor compreensão das má-
quinas elétricas e as técnicas de medição.
Esta bancada de testes proporciona o trabalho
em grupo, que é de suma importância, com uma qua-
lidade desejável durante a realização de ensaios, pre-
parando os futuros engenheiros para trabalhos em
equipe. A utilização da bancada pode potencializar o
aprendizado multidisciplinar do estudante, uma vez
que leva em conta conteúdos de várias disciplinas,
como: Linguagem de Programação, Máquinas Elétri-
cas e Conversão de Energia, Eletrônica Digital, Ele-
trônica Analógica, Eletrônica de Potência e Instru-
mentação Industrial.
Agradecimentos
Agradecemos a Fundação de Amparo a Pesquisa
do estado de Minas Gerais – FAPEMIG pelo fomen-
to do projeto número: APQ-04453-10, a CAPES pelo
apoio indispensável e também a FEELT-UFU que
viabilizou o projeto.
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