ANALISADOR AUTÔNOMO DE QUALIDADE DA … · PC – Personal Computer (Computador Pessoal) A/D ......

UNIVERSIDADE POSITIVO

NÚCLEO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS

ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO

ANALISADOR AUTÔNOMO DE QUALIDADE DA ENERGIA

ELÉTRICA COM PROCESSAMENTO EM SOFTWARE

Fernando Oliveira da Silva

Monografia apresentada à disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso como requisito

parcial à conclusão do Curso de Engenharia da Computação, orientada pelo Prof.

Amarildo Geraldo Reichel.

UP/NCET

Curitiba

2008

TERMO DE APROVAÇÃO

Fernando Oliveira da Silva

Analisador Autônomo de Qualidade da Energia Elétrica com Processamento em Software

Monografia aprovada como requisito parcial à conclusão do curso de Engenharia da Computação

da Universidade Positivo, pela seguinte banca examinadora:

Prof. Amarildo Geraldo Reichel (Orientador) Prof. Alessandro Brawerman Prof. Mauricio Perreto

Curitiba, 3 de Dezembro de 2008.

AGRADECIMENTOS

Sem o auxílio de várias pessoas, com certeza este projeto não seria possível. Gostaria em

primeiro agradecer meus pais por me guiarem até o início da minha vida acadêmica me dando

base para enfrentar todos os desafios, mesmo eles não tendo a oportunidade de concluir um

ensino superior. Agradeço também meus padrinhos por me darem a formação moral e

profissional para que eu pudesse enfrentar o mundo. Para este projeto, eu agradeço

especialmente o pessoal da Consilux, principalmente meu irmão Leandro e meu amigo

Guilherme, por várias horas de solda, também agradeço o Diego, por permitir a utilização de

várias horas de trabalho para conclusão desse projeto.

RESUMO

Este projeto auxilia na análise da qualidade na energia elétrica coletando informações de tensão e

corrente da rede elétrica, armazenando-as em um cartão de memória, para posteriormente serem

processadas em um computador. Com o auxílio de um software especialmente desenvolvido para

o projeto, as informações armazenadas no cartão de memória são carregadas e analisadas através

de gráficos de tensão, corrente, potência e um relatório completo dos distúrbios registrados na

rede de energia elétrica monitorada.

Palavras chave:

Analisador de tensão, Analisador de Corrente, Qualidade da Energia Elétrica

STANDALONE POWER LINE QUALITY ANALYZER WITH SOFTWARE PROCESSING

ABSTRACT

This project can be help on analysis of power line quality collecting information of voltage and

current signals from the power line and store then on a memory card, so later with this saved

information on memory card, this information can be transferred to computer. On specialized

software develop for this project, will be load and analyze this information and make a voltage,

current, averaged supply and a complete power line disturb report.

Key words:

Voltage analyzer, Current analyzer, Power Quality.

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS

LISTA DE TABELAS

LISTA DE SIGLAS

LISTA DE SÍMBOLOS

CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO .............................................................................................. 12

CAPÍTULO 2 - FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ................................................................... 13

2.1 Alimentação CA .......................................................................................................... 13

2.2 Sensores de Corrente ................................................................................................... 14

2.3 Conversor A/D. ........................................................................................................... 15

2.4 Amplificador Operacional............................................................................................ 16

2.5 Microcontrolador ......................................................................................................... 17

2.6 Memória não Volátil .................................................................................................... 18

2.7 SPI .............................................................................................................................. 20

2.8 FAT 16 ........................................................................................................................ 21

2.9 Qualidade da Energia Elétrica ...................................................................................... 23

2.9.1 Distúrbios de Alta Freqüência na Rede Elétrica .................................................... 23 2.9.2 Harmônicos e Distorções da forma de onda .......................................................... 25 2.9.3 Sags e swells ......................................................................................................... 27

CAPÍTULO 3 - ESPECIFICAÇÃO DO PROJETO .................................................................. 29

3.1 Valores Absolutos do Projeto ....................................................................................... 33

CAPÍTULO 4 - DESENVOLVIMENTO E IMPLEMENTAÇÃO ............................................ 34

4.1 Descrição Geral dos Módulos: ..................................................................................... 34

4.2 Projeto do Hardware .................................................................................................... 34

4.3 Desenvolvimento do Hardware .................................................................................... 41

4.4 Requisitos do Software ................................................................................................ 42

4.5 Projeto do Software ..................................................................................................... 43

4.6 Desenvolvimento do Software ..................................................................................... 45

CAPÍTULO 5 - VALIDAÇÃO E RESULTADOS .................................................................... 47

5.1 Requisito 1 .................................................................................................................. 47

5.2 Requisito 2 .................................................................................................................. 48

5.3 Requisito 3 .................................................................................................................. 48

5.4 Requisito 4 .................................................................................................................. 49

5.5 Requisito 5 .................................................................................................................. 50

5.6 Requisito 6 .................................................................................................................. 51

5.7 Requisito 7 .................................................................................................................. 52

CAPÍTULO 6 - CONCLUSÃO ................................................................................................ 54

CAPÍTULO 7 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................. 55

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Geração de Corrente Alternada ................................................................................. 13

Figura 2 - Sensor de corrente por efeito Hall ............................................................................. 15

Figura 3 - Amostragem de um sinal analógico .......................................................................... 16

Figura 4 – Esquema de uma Amplificador Operacional na forma subtrator ............................... 17

Figura 5 - Microcontrolador C8051F410 .................................................................................. 18

Figura 6 - Comunicação Master/Slave ...................................................................................... 20

Figura 7 - Impulsos unidirecionais ............................................................................................ 24

Figura 8 – Transientes .............................................................................................................. 25

Figura 9 - Sinal distorcido ........................................................................................................ 26

Figura 10 - Representação da distorção por duas senóides ........................................................ 26

Figura 11 – Fluxo geral do sistema ........................................................................................... 29

Figura 12 – Interfaces Externas ................................................................................................. 35

Figura 13 – Sub-blocos do Kit de Coleta................................................................................... 36

Figura 14 - Esquema da Fonte de Alimentação ......................................................................... 37

Figura 15 - Esquema do Redutor de Tensão e Adaptador de Sinal............................................. 38

Figura 16 - Esquema do Redutor de Tensão para o Sensor de Corrente ..................................... 38

Figura 17 - Kit de desenvolvimento do microcontrolador.......................................................... 39

Figura 18 – Esquema da Interface com o cartão de memória SD ............................................... 39

Figura 19 - Diagrama de Funcionamento do Kit de Coleta de Dados......................................... 40

Figura 20 - Caso de Uso do Software de Pós-processamento .................................................... 43

Figura 21 - Diagrama de Entidade e Relacionamento ................................................................ 43

Figura 22 - Diagrama de Classe ................................................................................................ 44

Figura 23 - Invólucro ................................................................................................................ 48

Figura 24 – Arquivos armazenados no cartão SD ...................................................................... 49

Figura 25 – Dados de tensão coletados pelo kit de coleta .......................................................... 50

Figura 26 – Monitoramento da corrente pelo kit de coleta ......................................................... 51

Figura 27 – FFT de uma onda quadrada .................................................................................... 52

Figura 28 – Relatório de Qualidade .......................................................................................... 53

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Pinos de comunicação SPI ....................................................................................... 20

Tabela 2 – Classificação CEBEMA .......................................................................................... 27

Tabela 3 – Classificação dos distúrbios ..................................................................................... 28

Tabela 4 – Pinos de entrada e saída do microcontrolador. ......................................................... 41

LISTA DE SIGLAS

NCET- Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas

UP – Universidade Positivo

CA – Corrente Alternada

PC – Personal Computer (Computador Pessoal)

A/D – Conversor analógico-digital.

RMS/rms – Média quadrática do sinal senoidal.

SAG – Queda da tensão rms.

CI – Circuito integrado.

SWELL – Aumento da tensão rms.

AmpOp – Amplificador Operacional.

LISTA DE SÍMBOLOS

- ohm

Vrms – Tensão média quadrática

Vpp – Tensão pico a pico

Vp – Tensão de pico

Mips – Milhões de instruções por segundo

Ksps – Quilo amostras por segundo.

12

CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO

Atualmente, cada vez mais equipamentos eletrônicos e elétricos estão automatizando e

simplificando diversas tarefas tanto na produção industrial quanto no nosso dia a dia. Com esta

nova era, existe um constante crescimento da demanda de energia elétrica para alimentar os mais

diversos aparelhos eletroeletrônicos. Para suprir esta demanda e manter a qualidade, passou a ser

necessário monitorar a qualidade da energia elétrica entregue ao consumidor final. Para este

monitoramento são utilizados diversos parâmetros técnicos, desde parâmetros básicos como

continuidade do fornecimento (interrupção contínua), assim como parâmetros mais complexos

como a presença de harmônicas no sinal de tensão (ABRACOPEL, 2008).

No Brasil ainda não existe uma norma específica para qualidade de energia, porém a maioria dos

equipamentos de análise de qualidade de energia utiliza a norma européia EN50160. Esta norma

define os parâmetros de medição da energia elétrica para que seja possível indicar a qualidade da

energia elétrica entregue. Pela falta de uma norma específica brasileira, este projeto utilizou-se

desta norma (EN50160) como base para o levantamento das informações a serem analisadas

(FLUKE, 2006)(MINIPA, 2005).

Para realizar tal monitoramento, este projeto propõe o desenvolvimento de um sistema autônomo

que seja capaz de armazenar as informações de tensão e corrente em um dispositivo de memória

de estado sólido por um período de pouco mais de um dia. Após este período, os dados desta

memória devem ser transferidos para um computador com um software desenvolvido

especialmente para este projeto, que irá ler estas informações coletadas e convertê-las em

informações úteis na análise da qualidade da energia elétrica.

Para elaboração deste trabalho, são utilizados conceitos de várias áreas, desde a modulação do

sinal para entrega da energia elétrica aos consumidores até o mecanismo de armazenamento de

arquivos em cartões de memória compactos, esta monografia irá abordar estes conceitos de

forma sucinta e aplicada ao desenvolvimento de um analisador autônomo de qualidade de

energia com processamento em software.

13

CAPÍTULO 2 - FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Este projeto envolveu pesquisas e conhecimentos nas áreas de cálculo, circuitos digitais,

circuitos analógicos, sistema de armazenamento de dados e análise de sinais contínuos. Na

seqüência será apresentado um breve estudo sobre os principais conceitos abordados neste

projeto.

2.1 Alimentação CA

As grandezas da natureza são quase sempre analógicas, ou seja, possuem uma gama imensa de

valores diferentes para uma variável, logo na energia elétrica não poderia ser diferente. A

produção de energia elétrica em grandes escalas para alimentar cidades, utiliza-se da

transformação de energia mecânica em energia elétrica. Como se trata de um processo mecânico

rotatório, ou seja, oscilatório, a energia elétrica gerada neste processo será também oscilatória,

este efeito oscilatório da tensão faz com que a corrente também oscile na mesma proporção, daí

o nome, Corrente Alternada (CA). Na Figura 1, podemos observar o processo de geração de

corrente alternada, onde um anel metálico é exposto a um campo magnético, e após sua rotação

um campo elétrico cíclico induz uma corrente alternada. (FRAGNITO, 2005).

Figura 1 - Geração de Corrente Alternada Fonte: CEPA - Centro de Ensino e Pesquisa Aplicada (2008)

14

2.2 Sensores de Corrente

Para medição da corrente em um condutor, existem basicamente duas formas distintas: Invasiva

e não invasiva. A medição invasiva utiliza-se da lei de Ohm, que afirma que a tensão sobre um

resistor é diretamente proporcional a corrente que passa sobre ele, ou seja, qualquer condutor por

mais puro que seja possui uma mínima resistência, então se constata que um condutor também é

um resistor, logo para se medir a corrente que flui sobre este condutor, basta medir a tensão

sobre ele. Mas, este tipo de medição não é a mais adequada para uma corrente relativamente alta,

isto porque, para se conseguir uma medida com uma precisão razoável precisaria de um condutor

com uma resistência um pouco mais alta, que segundo a lei de Joule dissiparia mais potência na

forma de calor, consumindo então parte da energia que trafega pelo condutor (BAPTISTA,

2004).

Já a medição não invasiva faz a leitura do campo magnético em torno do condutor. Segundo a lei

de Faraday, uma corrente pode ser induzida em um circuito por um campo magnético e vice-

versa. Partindo desse ponto, chega-se a conclusão que é possível medir a corrente sobre um

condutor somente com a leitura do campo magnético em torno deste. Como circuitos digitais e

analógicos trabalham somente com sinais de corrente ou tensão, para se realizar a leitura do

campo magnético é necessário convertê-lo novamente em corrente ou tensão, porém já em um

circuito isolado do condutor que originalmente produziu a corrente (BAPTISTA, 2004).

O efeito Hall foi descoberto em 1879 por E.H. Hall, que submeteu um condutor elétrico a um

campo magnético perpendicular a direção da corrente elétrica. Hall verificou que uma diferença

de potencial elétrico aparecia nas laterais deste condutor na presença do campo magnético. Este

efeito ocorre devido a cargas elétricas tenderem a desviar-se de sua trajetória por causa da força

de Lorentz. Desta forma, cria-se um acúmulo de cargas nas superfícies laterais do condutor

produzindo uma diferença de potencial. Apesar do efeito Hall existir em qualquer material

condutor, seu efeito é mais intenso em materiais semicondutores. Entretanto, os semicondutores

apresentam variações de lote para lote, necessitando de um circuito eletrônico auxiliar para

ajustar o sinal do efeito Hall para um valor calibrado do campo magnético.

Em um sensor de corrente, a transformação do campo magnético em corrente para depois

transformá-la em tensão é realizada de forma eletrônica em um circuito integrado. Porém, como

o campo magnético flui em todas as direções, no sensor de corrente utiliza-se um ‘condutor

magnético’ que concentra este campo em uma determinada área, este condutor ‘magnético’ é

conhecido como ferrite. O circuito integrado do sensor de corrente varia a tensão sobre um de

15

seus pinos proporcionalmente à corrente que passa sobre o condutor elétrico no centro conforme

Figura 2 (HONEYWELL, 2008).

Figura 2 - Sensor de corrente por efeito Hall Fonte: Honeywell – CS Series Sensors (2008)

2.3 Conversor A/D.

No Brasil, a rede elétrica possui uma variação de tensão de 60Hz, ou seja, há uma variação de 60

vezes em um segundo da tensão entre o pico positivo e negativo,formando um senóide com

diversos valores intermediários (ANEEL, 2001).

Como este projeto utiliza-se da computação digital para armazenar e processar os dados, é

necessário então converter esses diversos valores que a tensão assume no tempo, em valores

digitais. Para esta conversão é utilizado um conversor Analógico/Digital, daí a sigla A/D, que

quantifica esses diversos valores em uma escala de valores discretos, conforme pode ser visto na

Figura 3 onde um sinal analógico com milhares de amplitudes intermediárias é amostrado em

valores pré-definidos (parte superior da figura), para então serem processados de forma discreta

com amplitudes constantes (pare inferior da figura). (NATIONAL INSTRUMENTS, 2008)

Os valores analógicos de tensão devem ser atenuados para que o conversor A/D possa amostrá-

los, para isso é necessário utilizar um transformador, que isola galvanicamente e reduz a tensão

CA para um valor menor. Adicionalmente através de amplificadores operacionais é possível

adequar o sinal para a leitura do A/D (VASCONCELOS, 2008).

16

Figura 3 - Amostragem de um sinal analógico

2.4 Amplificador Operacional.

Como normalmente o A/D possui uma referência de tensão independente do sinal que irá

amostrar, é necessário “casar” estas duas referências, para isto utiliza-se um CI (circuito

integrado) Amplificador Operacional. Este CI também conhecido como AmpOp possui uma

infinidade de aplicações na eletrônica analógica, porém para este projeto ele é utilizado na

configuração subtrator. Nesta configuração o AmpOp produz um único sinal em sua saída que é

a diferença entre os dois sinais na entrada (Figura 4) (VASCONCELOS, 2008).

Após o sinal ser tratado por um ou mais amplificadores, o sinal já está adequado a entrada do

A/D.

17

Figura 4 – Esquema de uma Amplificador Operacional na forma subtrator

2.5 Microcontrolador

Cada vez mais os equipamentos eletrônicos estão menores e mais poderosos. Os

microcontroladores, são com certeza uma das maiores provas da miniaturização de circuitos

complexos em somente uma pastilha (FERREIRA, 2003).

Por sua portabilidade para desenvolver os mais diversos sistemas, os microcontroladores

modernos são utilizados desde os equipamentos sofisticados como injeções eletrônicas a

pequenos brinquedos infantis. Um microcontrolador é formado basicamente por um processador,

uma memória de programa e uma memória de trabalho; porém, os microcontroladores modernos

já possuem também conversores A/D internos, sensor de temperatura entre outros.

Um microcontrolador funciona a partir de um programa chamado firmware. Este programa de

baixo nível tem acesso direto ao hardware do microcontrolador, sendo capaz de ler qualquer

valor nas entradas do microcontrolador. Além da possibilidade de adquirir valores do mundo

externo, o hardware também fornece ao firmware, timers (temporizadores) (FERREIRA, 2003).

Pensando em economia de energia e funcionamento com bateria, os microcontroladores

modernos possuem também modos de funcionamento de baixo consumo. Isto pode ser muito útil

para sistemas embarcados que necessitam que um microcontrolador funcione com alimentação

da bateria por longos períodos.

18

Figura 5 - Microcontrolador C8051F410 Fonte: C8051F410/1/2/3 Data Sheet (2007)

Os microcontroladores também possuem diversas interfaces com outros dispositivos digitais,

como por exemplo memórias especializadas. Através de pinos dedicados o microcontrolador é

capaz de se comunicar facilmente com uma memória externa armazenando dados processados

pelo seu firmware em uma memória não volátil.O microcontrolador C8051F410 da Silicon Labs

(Figura 5) une o poder de processamento aliado a um poderoso AD interno, com um Core de 50

Mips e um A/D de 12 bits a 120ksps este microcontrolador se destaca frente a outros por unir o

melhor poder de processamento a um custo de desenvolvimento reduzido, já que este core

engloba o A/D interno evitando circuitos interfaceadores adicionais, além de possuir um

ambiente de desenvolvimento de firmware em linguagem C (SILICON LABS, 2007).

2.6 Memória não Volátil

O armazenamento de dados em memória não-volátil, ou seja, que não dependa de energia

elétrica para se manter, nas primeiras versões era feito de uma forma bem rudimentar. A primeira

forma de se armazenar dados computacionalmente sem a exigência de alimentação foram os

cartões perfurados. Como se pode imaginar, continham diversas falhas e exigiam uma perícia do

operador que não podia desordená-los (fisicamente) de forma alguma, pagando o preço de perder

toda a informação contida neles. O sistema de leitura/escrita era feito mecanicamente com

pequenos pinos que atravessavam os cartões para marcá-los ou lê-los.

Posteriormente surgiu o sistema de armazenamento magnético, este sistema bem mais compacto

utiliza-se de superfícies magnetizadas e densamente povoadas com pequeníssimos bastões de

19

ferro; um cabeçote de leitura/gravação alinha magneticamente estes bastões para gravar e faz a

leitura da polaridade dos mesmos quando necessita ler os dados. Este sistema sofreu grandes

avanços tecnológicos e perdura até hoje em HDs e fitas de backup, porém podem deixar a

desejar na velocidade de acesso aos dados. Nestes tempos em que os volumes de dados

armazenados e lidos são da ordem dos bilhões, os dispositivos magnéticos podem estar chegando

ao final de sua vida (FELITTI, 2007).

Os dispositivos óticos como CDs e DVDs nunca chegaram a serem cogitados como alternativa

para armazenamento volátil de constante alteração, isto porque, o sistema de gravação dos

mesmos ainda é muito lento frente ao magnético e também ainda são pouco compactos

(MCLEAN, 2008).

Nos últimos anos, surgiu um novo sistema de armazenamento não-volátil, conhecido como

memórias flash. Este novo tipo de memória vem revolucionando o mercado de dispositivos

eletrônicos, isto porque elas são rápidas, compactas, consomem pouca energia e seu custo de

produção vem sendo reduzido a cada dia Graças a estas novas memórias, máquinas de fotografia

digital, tocadores compactos de música e até eletro-domésticos puderam evoluir

consideravelmente. Por possuir uma interface de comunicação já digital e não ter partes

mecânicas, este tipo de memória pode ser embarcada nos mais diversos lugares, desde

televisores até ar-condicionados e carros. Essa enorme gama de utilidades surge do conceito

básico de armazenar informações para mais tarde serem lidas sem ter que manter uma

alimentação elétrica neste período. Hoje em dia já é possível encontrar dispositivos de memória

que utilizam memórias flash a um preço de menos de um centavo por megabyte, este valor que

há pouco mais de 3 anos era aproximadamente 10x mais caro (IDG NEWS SERVICE).

Diversas empresas já produzem comercialmente este tipo de memória no formato cartão,

de fácil desacoplamento. Podem-se citar três formatos mais utilizados de cartões de memória

flash: CompactFlash, Memory Stick e SecureDigital - SD. O CompactFlash criado pela SanDisk

surgiu inspirado nos cartões PCMCIA dos note-books, sua interface de comunicação é bem

próxima ao PCMCIA, por trabalhar com memórias flash de alta velocidade, foram largamente

utilizados em câmeras digitais e filmadoras, crescendo o olho de poderosas empresas de

eletrônicos como a Sony, que pouco tempo depois criou o Memory Stick. O Memory Stick

lançado e mantido pela Sony funciona de forma muito semelhante ao SD, mas é utilizado

somente em dispositivos Sony, isto porque, a Sony mantém altos custos de royaltes para a

utilização do mesmo, e também a Sony mantém sua arquitetura e protocolo não aberto

(CARDSPEED, 2006) .

O SD surgiu como evolução do MMC (MultMediaCard), na época do seu lançamento foi dado

como solução para proteger os direitos autorais da indústria da música, porém, hoje já muito

20

difundido acabou tendo seu dispositivo de proteção de arquivos (principalmente músicas) muito

pouco utilizado (CARDSPEED, 2006). O SD possui algumas variações de tamanho, porém seu

modo de funcionamento é basicamente o mesmo.

2.7 SPI

SPI (Serial Peripheral Interface) é uma interface de comunicação inter-dispositivos simplificada

e amplamente utilizada com microcontroladores assim como o SMBus e o I2C. Ela funciona no

formato mestre-escravo, ou seja, um dispositivo tem o controle sobre a comunicação e faz a

leitura e a escrita conforme Figura 6 (SCHWERDTFEGER, 2000).

Figura 6 - Comunicação Master/Slave

A interface SPI pode ser utilizada trabalhando com mais que um escravo, porém não suporta

grandes distâncias. Ela também trabalha em full-duplex e utiliza somente uma fonte de clock

vinda do mestre. Por trabalhar em uma arquitetura serial, é flexível aos mais diversos

microcontroladores, de 8 bits, 16 bits e 32bits, graças a esta arquitetura serial, pode-se endereçar

memórias de até 4Gb (desde que seja possível desenvolver um firmware para o mesmo). Na

Tabela 1, podem-se observar os pinos de comunicação da interface SPI. (CARDSPEED, 2006).

O SPI trabalha com um clock de até 70MHz, muito útil para utilização da comunicação com

memórias flash. Partindo-se desta premissa, o cartão de memória SD implementa a comunicação

SPI além do seu protocolo nativo SDIO. O cartão de memória SD, trabalha no modo SPI a uma

freqüência de 25MHz e 50Mhz para cartões ultra rápidos (CARDSPEED, 2006).

Tabela 1 – Pinos de comunicação SPI

Pino

Microcontrolador

Pino

Cartão SD

Nome Descrição

SCLK P5 Serial Clock Clock Geral

21

MOSI P2 (Master Output Slave

Input

Envia dados do servo

para o escravo.

MISO P7 Master Input Slave

Output

Recebe dados do

escravo para o servo.

SS P1 Slave Select Habilita o dispositivo

escravo em nível baixo.

2.8 FAT 16

FAT (File Allocation Table), é a estrutura mais simples que um sistema de arquivos pode ser

armazenado em um dispositivo. Originalmente desenvolvido para trabalhar com

microcomputadores pessoais de baixa performance, este tipo de sistema de arquivos perdura até

hoje em dispositivos simples (MICROSOFT CORPORATION, 2000).

O FAT por se tratar de um sistema de arquivos simples, pode ser escolhido como o melhor

sistema de arquivos para um dispositivo compacto, por isso as fabricantes de tocareres de

músicas portáteis e máquinas digitais utilizam o FAT como sistema de arquivos padrão para

armazenamento de dados, tornando-se o FAT, uma espécie de sistema de arquivos universal para

armazenamendo de dados em dispositivos portáteis.

Todos os sistemas de arquivos FAT foram desenvolvidos originalmente para a arquitetura IBM

PC. A importância disto é que o sistema de arquivos FAT armazenado na estrutura de dados do

disco é todo “little endian”, ou seja, bytes em endereços menores são menos significativos. Se

observar para uma entrada FAT32 armazenada em um disco como uma série de 4 bytes, sendo

primeiro o byte 0 e o último o byte 3, teremos 32 bits numerados de 00 até 31 (onde 00 é o bit

menos significativo e 31 é o bit mais significativo) armazenados da seguinte maneira:

Byte[3] = 31,30,29,28,27,26,25,24

Byte[2] = 23,22,21,20,19,18,17,16

Byte[1] = 15,14,13,12,11,10,09,08

Byte[0] = 07,06,05,04,03,02,01,00

Isto é importante, pois se a máquina é “big endian” será necessário traduzir os dados de “big”

para “little endian” conforme são lidos ou armazenados dados no disco (MICROSOFT

CORPORATION, 2000).

22

O volume do sistema de arquivos FAT é dividido em quatro regiões básicas, que estão

armazenadas nesta ordem no volume:

0 – Região Reservada

1 – Região FAT

2 – Região do diretório root

3 – Região de arquivos e diretórios

A primeira estrutura de dados importante de um volume FAT é chamada de “BIOS Parameter

Block” (BPB), que está localizada no primeiro setor do volume na Região Reservada. Este setor

é algumas vezes chamado setor de boot, setor reservado ou setor 0, mas o mais importante é que

este é o primeiro setor do volume (MICROSOFT CORPORATION, 2000).

A próxima estrutura importante é a FAT propriamente dita. Esta estrutura define uma lista de

“extensões” (clusters) de um arquivo. Um apontamento para um diretório FAT é nada mais do

que um arquivo regular com um atributo especial indicando que isto é um diretório. Outra

informação importante sobre diretórios é que o conteúdo do “arquivo” é uma série de entradas de

diretório (32 bytes). A FAT mapeia a região de dados do volume através do número do cluster. O

primeiro cluster de dados é o cluster 2.

Para calcular o início da região de dados é necessário primeiramente calcular a quantidade de

setores que o diretório root ocupa, conforme fórmula apresentada na eq 1.

RootDirSectors = (( BPB_RootEntCnt * 32 ) + ( BPB_BytsPerSec – 1 )) / BPB_BytsPerSec; (eq. 1)

O início da região de dados, o primeiro setor do cluster 2, é calculado da seguinte maneira,

conforme fórmula apresentada na eq 2.

FirstDataSector = BPB_ResvdSecCnt + ( BPB_NumFATs * FATSz16 ) + RootDirSectors; (eq. 2)

Um diretório FAT é nada mais do que um “arquivo” composto de uma lista linear de estruturas

de 32 bytes. O único diretório especial que sempre deve estar presente é o diretório root. Para

volumes FAT12/16 o diretório root está localizado em uma região fixa, logo após a última

estrutura FAT e possui um tamanho fixo de setores (RootDirSectors). Para FAT12/16 o primeiro

setor do diretório root é relativo ao primeiro setor do volume FAT e pode ser calculado conforme

segue a fórmula:

23

FirstRootDirSecNum = BPB_ResvdSecCnt + ( BPB_NumFATs * BPB_FATSz16 ); (eq. 3)

A partir do primeiro cluster de um arquivo pode ser calculado o setor onde este arquivo está

localizado, conforme fórmula apresentada na eq. 3.

ThisFATSecNum = BPB_ResevdSecCnt + (( DIR_FstClusLO * 2 ) / BPB_BytsPerSec ); (eq. 3)

Os demais setores, são a seqüência dos arquivos que devem ser lidos segundo o tamanho do

arquivo.

2.9 Qualidade da Energia Elétrica

Qualidade da energia elétrica representa uma série de fatores técnicos relacionados à tensão,

corrente e freqüência fornecida ao consumidor final. O termo “qualidade da energia” pode ser

visto também como a preservação de padrões previamente estabelecidos por normas técnicas

vigente no país.

Para um bom funcionamento dos equipamentos eletroeletrônicos, estas normas abrangidas pelo

termo qualidade da energia, devem ser minuciosamente respeitadas, já que estes equipamentos

foram projetados seguindo limites estabelecidos nas mesmas normas. A não preservação destas

pode danificá-los, em especial os aparelhos mais sofisticados e conseqüentemente os mais caros.

Entretanto, não são só os aparelhos mais avançados tecnologicamente sofrem com uma possível

queda de qualidade da energia elétrica; equipamentos de maior potência que exigem grandes

correntes, também podem ser danificados por uma rede elétrica de baixa qualidade, isso porque

muitas vezes, podem estar consumindo energia elétrica de forma ineficiente diminuindo a sua

vida útil (ALDABÓ, 2001).

2.9.1 Distúrbios de Alta Freqüência na Rede Elétrica

Estes distúrbios são muito comuns, e são os mais visíveis na rede elétrica em dias de tempestade,

isso porque, os raios, são na maiorias das vezes os grandes causadores de danos nos

equipamentos elétricos. E uma queda de um raio sobre a rede elétrica ou nas proximidades

fatalmente vai provocar um transiente, que acaba danificando aparelhos mais sensíveis, como

telefones sem fio e fax modems.

24

Os distúrbios de alta freqüência são eventos que ocorrem na energia elétrica em um tempo menor

que 16 ms, ou seja, numa freqüência superior à freqüência fundamental de 60Hz. Estes

distúrbios na maioria das vezes não provocam uma reação imediata nos equipamentos elétricos

porém, dependendo da sua intensidade ou permanência podem provocar um mau funcionamento

de um equipamento ou no pior caso danificá-lo (ALDABÓ, 2001).

Os distúrbios de alta freqüência podem ser classificados em quatro grupos (ALDABÓ, 2001):

Impulso Unidirecional

Impulso Oscilatório

Eventos Repetitivos

Eventos de Modo Normal e Comum.

Os impulsos unidirecionais são transientes em somente uma polaridade, e oscilatórios são

impulsos que afetam as duas polaridades, e não são cíclicos (Figura 7).

Figura 7 - Impulsos unidirecionais Fonte: ENGECOMP Tecnologia em Automação e Controle Ltda.

Os eventos repetitivos são também impulsos, porém possuem uma freqüência de repetição

constante. Normalmente, este tipo de evento é causado por equipamentos que fazem

chaveamento de alta freqüência na rede, como por exemplo retificadores chaveados com SCRs

(Figura 9), que causam pequenos picos sobre a senóide original da rede elétrica (HAFNER,

2005).

25

Figura 8 – Transientes Fonte: ENGECOMP Tecnologia em Automação e Controle Ltda.

Os eventos de modo normal, ocorrem sobre fase-terra simultaneamente, por isso dificilmente

causa maiores danos, já que os equipamentos elétricos utilizam o terra como referencial

(ALDABÓ, 2001).

2.9.2 Harmônicos e Distorções da forma de onda

A palavra ‘harmônico’ foi originalmente definida em acústica, significando a vibração de um fio

ou coluna de ar com freqüências múltiplas a freqüência fundamental provocando um ruído

sonoro, afetando a qualidade do som resultante. Este mesmo fenômeno comum no som é válido

também para ondas eletro-magnéticas (ALDABÓ, 2001).

Uma rede elétrica de corrente CA, precisa necessariamente fornecer uma tensão puramente

senoidal, que de fato acontece quando a carga sobre esta tensão é linear, porém para cargas não

lineares normalmente esta onda que deveria ser puramente senoidal passa a sofrer deformações

que geram harmônicas sobre a freqüência fundamental da rede (ALDABÓ, 2001).

Como qualquer sinal periódico pode ser representado como um somatório de senóides, um sinal

com uma senóide pura é representada por somente esta senóide, já um sinal senoidal deformado

é representado por um somatório de várias senóides de freqüências diferentes múltiplas da

freqüência fundamental; estas senóides adicionais causadas pelas distorções diminuem a

eficiência dos equipamentos (ALDABÓ, 2001).

Os harmônicos ímpares, ou seja, múltiplos ímpares da freqüência fundamental, prevalecem sobre

os pares. No caso da freqüência fundamental de 60Hz, são harmônicos de terceira ordem: 180Hz,

quinta: 300Hz, sétima: 420Hz, e assim por diante. Estes harmônicos causam problemas em

equipamentos que trabalham diretamente com a onda senoidal, como por exemplo, motores; os

harmônicos podem provocar uma perda do desempenho nestes motores, e até uma degradação de

sua estrutura, já que estes foram projetados para trabalhar com uma tensão puramente senoidal

(ALDABÓ, 2001).

26

A norma IEEE 519 (controle de harmônicos em sistemas elétricos) especifica o limite de 25%

para harmônicos de ordem par e proíbe o uso de conversores meia-onda para evitar aparecimento

de tensão CC.

Na Figura 9 e Figura 10 pode-se notar que a onda deformada na primeira figura, na verdade pode

ser representada como a soma de duas senóides, sendo que a segunda tem a freqüência cinco

vezes maior que a fundamental; em equipamentos que trabalham com a senóide fundamental,

estaria perdendo parte da sua eficiência, já que parte da energia estaria em uma onda que o

equipamento não aproveita (HAFNER, 2005).

Figura 9 - Sinal distorcido Fonte: ENGECOMP Tecnologia em Automação e Controle Ltda.

Figura 10 - Representação da distorção por duas senóides Fonte: ENGECOMP Tecnologia em Automação e Controle Ltda.

Outra forma de distorções da forma de onda, é o ‘DC offset’ da tensão, ou seja, neste caso a

forma da senóide não é afetada, porém o eixo ‘x’ da senóide será deslocado parcialmente para

cima ou para baixo, resultando em um sinal DC sobre a senóide. Este tipo de deformação não

27

causa muitos problemas, quando este deslocamento é bem reduzido, porém pequenas tensões

(carcaça-terra) podem surgir no equipamento, podendo danificar alguns componentes

(ALDABÓ, 2001).

2.9.3 Sags e swells

Os eventos de tensão são variações de tensão que ocorrem da faixa de freqüência normal da rede

(60Hz). Algumas definições da IEEE 1159-1995 (Práticas recomendadas na monitoração da

qualidade da energia elétrica) definem sag e swell (ALDABÓ, 2001):

Um sag é o decréscimo entre 0,1 e 0,9 por unidade de tensão normal (pu) ou corrente

rms, com o tempo de duração entre 0,5 ciclos a 1 minuto.

Um swell é o aumento entre 1,1pu e 1,8pu na tensão ou corrente rms, com o tempo de

duração entre 0,5 ciclos a 1 minuto.

Estas mesmas definições classificam estes tempos de duração em três categorias: instantâneo,

momentâneo e temporário. Conforme a Tabela 2, pode-se notar que variações com maior

duração, possuem limite de amplitude mais limitado.

As normas ANSI C84.1-1989 (Utility Power Profile) e CBEMA (Computer and Business

Equipment Manufacturers Association), relacionam limites de amplitude e tempo desses eventos

(ALDABÓ, 2001):

Tabela 2 – Classificação CEBEMA

Duração (ms) Limites de amplitude

8 - 50 -30%; 20%

50 – 500 -20%; 15%

> 500 ±5% (residencial); 10% (industrial)

Normalmente sags são causados quando cargas pesadas, tais como motores, são acionadas e

drenam grandes quantidades de corrente por um curto período. Swell normalmente é causado

pelo desligamento de cargas pesadas, que provocam um aumento da tensão por um curto período

(ALDABÓ, 2001).

A Tabela 3 classifica todos os possíveis distúrbios que um analisador de qualidade pode

monitorar:

28

Tabela 3 – Classificação dos distúrbios

Duração (ms) Espectro Duração Limites de

amplitude

Transiente

Impulsivo

Nanosegundo 5 ns < 50 ns

Microsegundo 1 µs 50 ns – 1 ms

Milisegundo 0.1 ms > 1 ms

Oscilatório

Baixa freqüência < 5 kHz 0,3 – 50 ms 0 – 4 pu

Média freqüência 5 – 500 kHz 20 µs 0 – 8 pu

Alta freqüência 0,5 - MHz 5 µs 0 – 4 pu

Variação de curta duração

Instantânea

Sag 0,5 – 30 ciclos 0,1 – 0,9 pu

Swell 0,5 – 30 ciclos 1,1 – 1,8 pu

Momentânea

Interrupção 0,5 ciclos – 3s < 0,1 pu

Sag 30 ciclos – 3s 0,1 – 0,9 pu

Swell 3s – 1 min 1,1 – 1,2 pu

Temporária

Interrupção 3s – 1 min < 0,1 pu

Sag 3s – 1 min 0,1 – 0,9 pu

Swell 3s – 1 min 1,1 – 1,2 pu

Variação de longa duração

Interrupção sustentada > 1 min < 0,8 pu

Subtensão > 1 min 0,8 – 0,9 pu

Sobretensão > 1 min 1,1 – 1,2 pu

Desequilíbrio de tensão Estado estacionário 0,5 – 2%

Distorção na forma de onda

DC Offset Estado estacionário 0 – 0,1%

Harmônicas Estado estacionário 0 – 20%

Interharmônicas 0 – 6 kHz Estado estacionário 0 – 2%

Fonte: (ALBADÓ, 2001).

29

CAPÍTULO 3 - ESPECIFICAÇÃO DO PROJETO

Considerando vários fatores de custo e demanda, este projeto têm como alvo ser uma ferramenta

de análise da qualidade da energia elétrica para instalações elétricas de baixa tensão

monofásicas, visando então como principais ambientes de aplicação: Instalações elétricas

residenciais, comerciais ou pequenas indústrias que possuem ligação monofásica com a rede

elétrica pública, com uma tensão nominal de 127V/60Hz e que necessitem monitorar

equipamentos que drenem no máximo 60A de corrente.

Partindo do escopo básico afirmado acima, o projeto pode ser dividido em três partes: kit de

coleta de dados, dispositivo de armazenamento e software de pós-processamento seguindo o

fluxo da Figura 11.

O kit de coleta de dados tem como principal objetivo amostrar valores de tensão e corrente da

rede elétrica a armazená-los no dispositivo de memória.

O dispositivo de armazenamento, tem como objetivo armazenar as informações coletadas pelo

kit de coleta de dados de forma não volátil, ou seja, é capaz de armazenar esta informação sem a

necessidade de alimentação elétrica para que possa ser desacoplado do kit de coleta de dados e

possa ser acoplado a um leitor comercial de cartões de memória para PC.

O software de pós-processamento tem o objetivo de converter a informação digital armazenada

no dispositivo de armazenamento, em informação gerencial para que um técnico possa montar

um relatório sobre a qualidade da rede elétrica durante o período de monitoramento.

Amostra dados deCorrente e Tensão Kit de Coleta

de Dados

Armazena os dadoscoletados no período

O software de pós-processamento coleta os dados.

Figura 11 – Fluxo geral do sistema

30

Os principais parâmetros a serem medidos para definir a qualidade da energia elétrica devem ser:

monitoramento de quedas no fornecimento, monitoramento do sinal senoidal da rede

identificando sobre-tensão, sub-tensão, oscilação da tensão, transitórios, freqüência fundamental

do sinal e amplitude de freqüências harmônicas. Estes parâmetros são todos, em essência, uma

análise do sinal senoidal que a rede elétrica produz. Para que este sinal possa ser analisado

computacionalmente, inicialmente é necessário converter este sinal de tensão/corrente para um

sinal digital, ou seja, os níveis de tensão/corrente devem ser discretizados e armazenados

digitalmente em seqüência em uma memória.

Para definir o intervalo de amostra adequado para a análise dos parâmetros citados, deve-se

considerar que no Brasil as concessionárias distribuidoras de energia elétrica, devem distribuir na

rede elétrica uma tensão alternada a uma freqüência de 60Hz. Para um analisador de qualidade

da energia no Brasil esta freqüência deve ser adotada como freqüência fundamental. Para que

sejam coletadas informações até a 15ª harmônica da freqüência fundamental, a freqüência de

amostra deve ser de 2kHz já que são feitas duas amostras, uma de tensão e outra de corrente

alternadamente.

Partindo de uma freqüência de amostra de 2kHz, é possível detectar uma variação com uma

precisão de aproximadamente 6,6% na freqüência fundamental de 60Hz, também é possível a

detecção de transitórios que tenham o período total de no mínimo 1ms, porém por motivos de

custo e tempo, este projeto não prevê a detecção de transitórios.

Para definir os limites de tensão deste projeto, deve-se levar em conta que a rede elétrica gera um

sinal senoidal de 127Vrms, ou seja 180Vp, ou 360 Vpp, mas segundo a resolução 505:2001 da

ANEEL, esta tensão poderá variar de 109Vrms a 140Vrms em caso de uma rede precária; então

considerando 140Vrms temos aproximadamente 400Vpp como fundo de escala para as medidas.

Um A/D de 12 bits é capaz de amostrar 4096 sub-divisões de tensão. Se for considerado o fundo

de escala calculado de 400 V, a precisão das medidas de tensão será em torno de 100mV para um

A/D de 12bits. Segundo definições da IEEE 1159:1995, a menor unidade de variação da tensão a

ser medida em um analisador de qualidade da energia deve ser de 0,1 unidade de tensão nominal

(0,1 pu), como a unidade de tensão nominal utilizada é Volts, então 0,1 pu de em volt, equivale a

100mV, portanto um A/D de 12 bits com fundo de escala de 400V, possui a resolução

necessária.

Para definir o limite de corrente do projeto, foram levados em conta os limites de corrente e

resposta do sensor utilizado, considerando que o projeto visa coletar informações de corrente

sem influenciar o equipamento monitorado, então um sensor de efeito hall de laço aberto é a

melhor opção para medir a corrente sem influenciar o equipamento medido. Para uma boa

31

precisão na medida da corrente, porém sem onerar o custo do projeto, foi selecionado um sensor

de efeito hall de laço aberto, sensível a uma corrente até 60A.

O condutor utilizado para drenar a corrente para o equipamento a ser monitorado deve ter uma

seção transversal de no mínimo 4mm, isso para suportar uma corrente de 60ª; e como o sensor

utilizado possui o espaço onde para o condutor limitado, somente duas voltas foram utilizadas,

ficando então uma precisão aparente de 8mA e uma corrente máxima de 60A sobre o condutor.

Porém ainda deve ser levado em consideração o conversor A/D utilizado, antes de definir a

definição real da corrente, então como o AD é capaz de converter dados com uma precisão de

12 bits, possibilitando 4096 sub-divisões de corrente, desta forma, considerando a faixa de

monitoramento de 60A, sendo a precisão de corrente real de 15mA.

Para armazenar os dados amostrados de tensão e corrente, deve-se considerar que os mesmos são

coletados aos pares de 12 bits (corrente+tensão), somados então são 3 bytes por amostra. Como

serão feitas 2000 amostras por segundo, pode-se chegar ao cálculo de 6kB de dados por segundo,

360kB por minuto e 21,6MB por hora. Para armazenar estes dados, um cartão de memória de

1GB é o dispositivo mais adequado, onde poderá ser armazenado até 46 horas de amostras.

Porém é importante frisar que uma perda de aproximadamente 5% do espaço deve ser

considerada. Isso porque, como o sistema de arquivos utiliza várias estruturas de controle, elas

acabam utilizando uma certa parte do espaço dos dados. Desta forma, um cartão de 1GB na

verdade com uma margem de erro pode armazenar até 42 horas de amostras.

Para o armazenamento simplificado dos dados de amostra no cartão de memória, foi utilizado o

sistema de arquivo FAT16, com este sistema de arquivos é possível utilizar cartões de memória

de até 2GB. A forma de agrupamento dos dados é feita separando-se um arquivo por minuto,

contendo 360kB de amostra, deixando a lista de arquivos bem estruturada.

Por fim, um software de pós-processamento realiza a leitura dos arquivos armazenados no cartão

salvando estes dados de forma estruturada em um banco de dados pelo software de pós-

processamento. A partir dos dados já armazenados no banco de dados, o software de pós-

processamento pode exibir informações gerenciais sobre a qualidade da energia elétrica.

O software de pós-processamento possui as seguintes funções:

Possibilidade de selecionar o período de visualização por data e hora da coleta das

amostras, inclusive com a possibilidade de selecionar várias amostras simultâneas.

Gráfico de visualização da tensão no tempo.

Gráfico de visualização da corrente no tempo.

Gráfico de visualização da potência efetiva no tempo.

Gráfico das freqüências harmônicas utilizando-se de uma FFT.

32

Relatórios gerais e de qualidade da energia:

o Potência total consumida no período.

o Número de interrupções no período.

o Número de variações de curta duração (Interrupções, Sags e Swells) no

período classificadas em Instantânea, Momentânea e Temporária.

o Número de variações de longa duração no período, classificadas em:

Interrupção sustentada, Subtensão e Sobretensão.

33

3.1 Valores Absolutos do Projeto

Faixa de medição de corrente: 0A - 60A em CA ou CC.

Resolução de medição de corrente: 15 mA.

Faixa de medição de tensão: -200V a +200V

Resolução de medição de tensão: 100 mV.

Taxa de amostragem da coleta de tensão: 1kHz.

Taxa de amostragem da coleta de corrente: 1kHz.

Capacidade de armazenamento contínuo: Até 84 Horas com um cartão de 2 GB.

34

CAPÍTULO 4 - DESENVOLVIMENTO E IMPLEMENTAÇÃO

4.1 Descrição Geral dos Módulos:

O projeto é composto de três módulos com responsabilidades específicas:

Módulo kit de coleta de dados: Seu objetivo é converter os dados brutos de tensão

e corrente em informações digitais.

Módulo dispositivo de armazenamento: Seu objetivo é armazenar as informações

digitais por um período adequado e possibilitar o envio dessas informações ao PC.

Módulo software de pós-processamento: Seu objetivo é ler as informações digitais

armazenadas transformá-las em informações gerenciais através de informações

textuais e gráficos para dar o suporte há um técnico sobre a qualidade da energia

elétrica monitorada.

4.2 Projeto do Hardware

O kit de coleta de dados possui basicamente cinco interfaces externas (Figura 12).

A primeira interface é a entrada do sistema. O kit possui um cabo de aproximadamente um metro

sendo que uma das pontas é ligada diretamente ao kit e a outra tem um plug macho para ser

conectado à rede elétrica.

A segunda interface é uma tomada do tipo fêmea (2P+T) embutida no encapsulamento do kit,

onde poderá ser ligado qualquer aparelho que se necessite monitorar a corrente.

A terceira interface é um socket para cartão SD onde é colocado o cartão de memória para

armazenamento das informações.

A quarta interface é um painel com:

2 leds.

o Vermelho: Indica que o kit está ligado.

o Verde: Indica que o kit está monitorando a energia elétrica.

Chave para ligar e desligar o kit.

35

Botão para parar o monitoramento sem a necessidade de desligar o kit.

A quinta interface é um compartimento onde é armazenada uma bateria de 3 volts que mantém o

kit funcionando mesmo com a queda do fornecimento de energia elétrica da rede.

SPI

Figura 12 – Interfaces Externas

Para realizar a coleta das informações de corrente do equipamento monitorado, o kit que possui

um transdutor de efeito hall que converte a informação de corrente em uma tensão proporcional

de referência. O kit que também possui um circuito atenuador de tensão, amostra a tensão da

rede elétrica e a converte em uma tensão proporcional de referência. Partindo dessas duas

tensões de referência, um circuito auxiliar adapta estas tensões de referência ao

microcontrolador que por sua vez converte estas tensões em informação digital através de um

conversor A/D interno. Com os valores de tensão e corrente já em formato digital o

microcontrolador grava estas informações em arquivos no cartão SD.

O kit de coleta é composto por sete sub-blocos, conforme pode ser visto na Figura 13:

Fonte de Alimentação: Responsável por prover alimentação CC para os demais

blocos.

Captura de Tensão: Barramento com isolamento superior a 200V e transformador

para uma tensão de 1.1Vpp de saída.

Sensor de Corrente: Transdutor de efeito Hall, que converte a corrente passante

pelo condutor em um sinal de tensão de 0-12V.

36

Circuito adaptador do sinal de corrente para o A/D: Casador de impedância e

redutor do sinal para A/D.

Circuito adaptador do sinal de tensão para o A/D: Casador de impedância,

grampeador e protetor do sinal para A/D.

Microcontrolador C8051F410 com A/D interno de 12 bits: Núcleo do Kit, com o

firmware controlador e o conversor A/D.

Interface com o cartão de memória SD: Socket para cartão SD com alimentação e

pinos SPI devidamente conectados aos ports do microcontrolador.

Figura 13 – Sub-blocos do Kit de Coleta

Na montagem da fonte de alimentação, utiliza-se o esquema de fonte regulada; neste esquema a

fonte é composta por um transformador (TRAN), um retificador de onda completa (PONTE),

dois capacitores (C1 e C2) e reguladores de tensão (U1, U2, U3 e U4), como pode ser visto na

Figura 14.

37

Figura 14 - Esquema da Fonte de Alimentação

Na montagem do adaptador de sinal de tensão, um divisor de tensão com a relação aproximada

de 110:1 reduz a tensão alternada de entrada, e um transformador de áudio realiza o isolamento

galvânico. Na saída do divisor, um amplificador operacional (U1) montado sob a configuração

de diferenciador realiza o acoplamento de terra entre a tensão alternada de entrada e a tensão

contínua de alimentação do circuito. Um novo amplificador operacional (U2) também montado

sobre a configuração de diferenciador, captura a saída do primeiro amplificador e realiza o

grampeamento da tensão. Por fim, dois diodos realizam uma proteção adicional contra

sobretensão. O esquema completo pode ser visto na Figura 15.

38

Figura 15 - Esquema do Redutor de Tensão e Adaptador de Sinal

Na montagem do redutor de tensão para o sensor de corrente, utiliza-se um amplificador

operacional (U1) na configuração inversor, com um ganho aproximado de 0,18; então para

novamente inverter o sinal e deixá-lo na fase original, um novo amplificador operacional (U2)

montado na configuração inversor é colocado na saída do primeiro amplificador. Por fim, dois

diodos realizam uma proteção adicional contra sobretensão. O esquema completo pode ser visto

na Figura 16.

Figura 16 - Esquema do Redutor de Tensão para o Sensor de Corrente

Neste projeto, é utilizado o kit de desenvolvimento C8051F410-DK, na Silicon Labs, que possui

um microcontrolador C8051F410 embarcado (Figura 17). O conector J2 do kit é utilizado para a

entrada do sinal tensão e corrente; e o conector J1 é utilizado para a comunicação com o

dispositivo de armazenamento através da interface SPI de quatro fios (Figura 18).

39

Figura 17 - Kit de desenvolvimento do microcontrolador

Figura 18 – Esquema da Interface com o cartão de memória SD

40

O dispositivo de armazenamento tem um sistema de arquivos FAT16 onde serão armazenados os

arquivos com informações das amostras, cada arquivo possui os dados de amostra de um período

de 1 hora. O dispositivo de armazenamento tem uma memória não volátil, ou seja, os dados

permanecem mesmo com a retirada da alimentação do dispositivo. Portanto, após o final do

período monitoramento, o usuário poderá retirá-lo do kit e conectá-lo em um leitor acoplado a

um PC.

A Figura 19 descreve o fluxo de funcionamento do kit de coleta de dados.

InicioLigar a Tomada e ajustar a chave liga para ‘on’.

O LED de ‘Power’ esta aceso?

Não

Colocar o cartão de memória

Sim

Ligar o equipamento a ser monitorado no kit.

Será monitorada corrente? Sim

Não

O LED ‘Busy’ esta aceso ou piscando?

Verificar o cartão de memória

NãoSim

O cartão de memória está

cheio.Sim

O Kit está monitorando normalmente

Não

Sim

Retirar o cartão para descarga dos

dados

Fim

Gostaria de interromper o

monitoramento?

O LED ‘Busy’ esta piscando?

Não

O LED ‘Busy’ esta piscando?

Pressionar o botão ‘Stop’ Sim

Não

Anotar o horário com segundos.

Figura 19 - Diagrama de Funcionamento do Kit de Coleta de Dados

41

4.3 Desenvolvimento do Hardware

Para desenvolver o projeto, foi necessário montar seis circuitos para o controle do kit, o primeiro

é o circuito de aquisição dos dados de tensão (Figura 15). Estes circuito é composto de um

transformador de áudio (para trabalhar com alta freqüência) e um sub-circuito redutor de tensão

com amplificadores operacionais, responsável pelo condicionamento do sinal de tensão ao A/D.

O segundo é o circuito de aquisição dos dados de corrente (Figura 16). É composto de um sensor

de efeito Hall e um sub-circuito redutor de tensão com amplificadores operacionais responsável

pelo condicionamento do sinal de tensão ao A/D, proporcional à corrente medida. O quarto

circuito é o núcleo do kit, composto pelo microcontrolador com A/D. O quinto circuito , trata-se

de somente uma base e um socket onde um cartão de memória ficará alojado. O sexto circuito é a

fonte de alimentação do kit, composto por um transformador, uma ponte retificadora e

reguladores; é função deste circuito disponibilizar alimentação estabilizada com as seguintes

tensões: 3.3V, 5V, -5V e 12V.

Para desenhar e simular o funcionamento foi utilizado o software de simulação Proteus

(LABCENTER). Como circuito simulado no software, foram montados os protótipos dos

circuitos primeiro em protoboard, depois em placas padrão.

Utilizando o software de simulação que acompanha o microcontrolador foi implementado o

firmware do microcontrolador, este firmware possui instruções para coletar as informações

analógicas do circuito de aquisição e convertê-las em informação digital pronta para ser gravada

em uma memória.

Partindo do circuito de aquisição e o microcontrolador convertendo o sinal analógico em digital,

então foi montado o circuito do socket do cartão de memória, e ajustado os devidos pinos de

comunicação SPI, ficando o microcontrolador com a configuração de pinos demonstrada na

Tabela 4.

Tabela 4 – Pinos de entrada e saída do microcontrolador.

Pino

Microcontrolador

Tipo E/S,

Digital/Analógico/Clock.

Função

P1.6 Entrada - Analógico Entrada do sinal de tensão para o

A/D

P1.7 Entrada - Analógico Entrada do sinal de corrente para

o A/D

42

P0.0 Saída - Clock SPI – SCK

P0.1 Entrada - Digital SPI - MISO

P0.2 Saída - Digital SPI – MOSI

P0.3 Saída - Digital SPI – NSS

P2.1 Saída - Digital LED – BUSY

4.4 Requisitos do Software

Foram levantados os seguintes requisitos para o software de análise da qualidade da energia

elétrica:

Possibilidade de visualizar os dados de tensão e corrente coletados no cartão de memória

com definição de ciclo de onda.

Possibilidade de visualizar dados de coletas anteriores utilizando como filtro de data e

hora da coleta.

Possibilidade de processar os dados de tensão e corrente sobre uma Transformada de

Fourier.

Possibilidade de gerar um relatório com os dados de qualidade em vídeo e em folha

impressa.

Possibilidade de agrupar várias coletas em um único projeto para que se possa gerar

somente um relatório a partir de várias amostras.

43

4.5 Projeto do Software

Considerando os possíveis usuários pode-se levantar o caso de uso representado pela Figura 20.

Coleta dos Dados doCartão de Memória

Operador de Coleta

**

Visualiza/ImprimeRelatórios

Visualiza Gráficos

Técnico*

*

*

*Dados Indexados«uses»

«extends»

«uses»

Figura 20 - Caso de Uso do Software de Pós-processamento

A partir do caso de uso, podem ser vislumbradas três entidades: Relatório, Projeto e Dados de

Processamento; suas respectivas colunas e relacionamentos podem ser visualizados na Figura 21.

Figura 21 - Diagrama de Entidade e Relacionamento

44

Por fim a análise do software pode ser concluída, gerando o diagrama de classe visualizado na

Figura 22.

Figura 22 - Diagrama de Classe

45

4.6 Desenvolvimento do Software

Para desenvolver o software de pós-processamento foi utilizada a plataforma Java 5, utilizando a

IDE Eclipse para o desenvolvimento. O banco de dados utilizado foi o Apache/Derby, utilizando

o driver nativo JDBC para conectividade com o Java (DERBY, 2008).

A metodologia utilizada para a análise do software foi a Análise Orientada a Objeto, utilizando

partes da UML para documentar o software. A implementação segue o padrão MVC2 utilizando

o padrão DAO para a persistência dos objetos (MCCONNELL, 2005).

Segundo a metodologia de Análise Orientada a Objeto, primeiramente foram definidos os casos

de uso do sistema, então foram levantados os objetos do sistema, seus atributos e

relacionamentos. Após esta etapa foi feito então o diagrama completo de classes já com os

métodos de persistência. Levantado os objetos e atributos, então foi possível montar o diagrama

de entidade relacionamento para o banco de dados, com esta etapa concluída, foi criado o bando

de dados no SGDB e implementadas as telas e rotinas do sistema.

Para implementar o sistema, a primeira abordagem foi levantar os dados básicos comuns a todo o

sistema enquanto ele estiver rodando; com este levantamento, foi possível identificar que um

objeto “Projeto” necessita estar disponível em comum a todas as telas e objetos do sistema, por

isso chegou-se a conclusão que o sistema deverá bloquear as entradas até que um objeto

“Projeto” seja instanciado. Para isto, foi necessário criar uma tela para controle deste objeto.

Nesta tela são mostrados todos os objetos persistidos no banco de dados em forma de árvore.

Além de possibilitar a edição, inclusão e exclusão de projetos cadastrados, esta tela também

fornece um botão para que o usuário selecione o objeto corrente que será disponibilizado em

comum ao sistema.

Partindo do objeto “Projeto” previamente selecionado, então se torna possível importar os dados

de um cartão de memória. Para importar os dados, o usuário irá acessar a opção Importar dados

no menu e selecionar o caminho do diretório raiz do cartão, para então o sistema importar os

dados para o banco de dados.

Após o projeto selecionado e os dados importados, o usuário, através do menu pode selecionar a

opção visualizar os gráficos, onde uma pequena tela irá perguntar o período de amostra, ou o

usuário poderá gerar um relatório de qualidade.

Caso o usuário opte por visualizar os gráficos ele poderá ver 3 tipos de gráficos: gráfico de

tensão/corrente, gráfico de potência e gráfico FFT. Todos estes gráficos possuem controles na

tela para deslocamento no tempo e zoom.

46

Caso o usuário opte por gerar um relatório, o sistema irá processar todos os dados do projeto

selecionado e gerar um relatório de qualidade visual na tela, possibilitando ao usuário imprimir

posteriormente.

47

CAPÍTULO 5 - VALIDAÇÃO E RESULTADOS

Para validar o projeto, os seguintes requisitos foram inicialmente definidos:

1. Ser um equipamento portável e autônomo, que possibilite o monitoramento sem a

intervenção humana por longos períodos de horas.

2. Ser um equipamento que não influencie o ambiente onde será operado.

3. Armazenar os dados para um pós processamento em um dispositivo de memória

não volátil.

4. Analisar a qualidade da energia elétrica de uma instalação monofásica com tensão

nominal de 127V a 60Hz.

5. Monitorar a corrente de um equipamento monofásico que drene no máximo 60A.

6. Ter um software que faça o pós-processamento dos dados armazenados

previamente pelo kit de coleta gerando um gráfico de amplitudes FFT.

7. Ter um software que monte um relatório de qualidade completo com todos os

dados de distúrbios que a rede elétrica pode ser sofrido.

Agora, para validar o projeto, foram levantados os seguintes requisitos, sendo que estes

necessariamente necessitam ser atendidos:

5.1 Requisito 1

VALIDAÇÃO: Possuir um invólucro de fácil manuseio e que possua a mínima segurança para

que fique instalado sem a necessidade de um técnico supervisionar durante o período de coleta.

RESULTADO: Como pode ser observado na Figura 23, o invólucro para o projeto cumpre este

requisito.

48

Figura 23 - Invólucro

5.2 Requisito 2

VALIDAÇÃO: Não consumir de forma excessiva, e também não influenciar o equipamento que

está sendo monitorado a corrente.

RESULTADO: Com o auxílio de um amperímetro e um osciloscópio, foi observado que o

consumo de 330mA em pleno funcionamento, porém foi observado uma sutil distorção na onda

senoidal da rede elétrica. Para que este problema seja resolvido seria necessária a confecção de

um transformador específico para esta aplicação, que acabou não sendo viável para este projeto;

ficando como sugestão de aperfeiçoamento futuro.

5.3 Requisito 3

VALIDAÇÃO: O projeto deve armazenar os dados em um cartão de memória flash.

RESULTADO: O microcontrolador possui um firmware que implementa a FAT 16, com isso

tornou-se necessário implementar um dispositivo de segurança no firmware. Este dispositivo

armazena uma das FATs em uma memória mantida por bateria. Esta memória mantida mesmo

sem alimentação, será o marcador para a reconstrução da FAT16 se necessário. Para um maior

controle, o nome do arquivo possui os 8 dígitos menos significativos do timestamp do primeiro

registro contido, na Figura 24 pode-se observar os arquivos armazenados pelo kit.

49

Figura 24 – Arquivos armazenados no cartão SD

5.4 Requisito 4

VALIDAÇÃO: Realizar medidas de tensão em uma rede elétrica, sem qualquer auxílio de fonte

estabilizadora externa.

RESULTADO: O gráfico superior da Figura 25 descreve uma senóide que representa a tensão

medida pelo kit, esta que foi coletada sem que o kit esteja ligado a qualquer fonte estabilizadora

externa.

50

Figura 25 – Dados de tensão coletados pelo kit de coleta

5.5 Requisito 5

VALIDAÇÃO: Realizar o monitoramento da corrente em um equipamento qualquer.

RESULTADO: Para realizar esta validação, foi utilizado um microcomputador e um monitor

como equipamentos de consumo, estes por possuírem fontes chaveadas deveriam apresentar uma

onda não senoidal na corrente. Após realizada as medidas, foi notado que o monitoramento de

corrente está funcionando adequadamente, como ilustra o gráfico inferior da Figura 26, onde

podemos notar picos de corrente momentâneos típicos de fontes chaveadas.

51

Figura 26 – Monitoramento da corrente pelo kit de coleta

5.6 Requisito 6

VALIDAÇÃO: Realizar a transformada de Fourier sobre o sinal de entrada.

RESULTADO: Para realizar a transformada sobre o sinal, foi utilizada uma biblioteca externa de

Michael Thomas Flanagan, este algoritmo provou ser rápido o suficiente para que o gráfico de

FFT se torne interativo. Na Figura 27 é demonstrada a FFT de uma onda quadrada gerada por

um gerador de função. Por ser uma onda quadrada, as harmônicas ímpares devem ter uma

amplitude razoável frente a freqüência fundamental.

52

Figura 27 – FFT de uma onda quadrada

5.7 Requisito 7

VALIDAÇÃO: Montar um relatório completo com todos os itens de distúrbios da rede elétrica

que possam ser medidos, permitir ao usuário visualizar e imprimir.

RESULTADO: Para montar este relatório foi utilizado o iReport para fazer o design do relatório

e o JasperReport Runtime exibir o relatório interno ao software de análise da qualidade da

energia elétrica. Na Figura 28 é mostrado um relatório gerado no software de análise da

qualidade da energia elétrica, também é possível notar um botão para impressão do mesmo.

Na parte superior do relatório observa-se dados do projeto para uma melhor organização do

usuário. Na parte central é possível observar o consumo do equipamento monitorado, além dos

dados de qualidade de energia segundo a tabela CEBEMA.

53

Figura 28 – Relatório de Qualidade

54

CAPÍTULO 6 - CONCLUSÃO

Com os resultados obtidos com este projeto, conclui-se que a qualidade da energia elétrica

entregue pelas concessionárias pode ser considerada de boa qualidade, porém é importante frisar

que muitos distúrbios elétricos podem ser causados por problemas nas instalações internas.

Algumas provas podem ser vistas indicando que a maioria dos problemas encontrados é em

instalações internas; isto porque os distúrbios que mais ocorrem são Sags e Swells Instantâneos

ou Temporários, indicando chaveamento de cargas relativamente altas sobre uma fiação não

adequada.

Além das conclusões sobre o centro dos problemas de qualidade da energia elétrica, este projeto

auxiliou no conhecimento de circuitos que façam a interface CA->CC, também mostrou que a

integração de estruturas simples como AmpOps a estruturas modernas e sofisticadas como um

cartão de memória pode ser viável sem a necessidade de uma processo oneroso de pesquisa e

implementação.

Por fim este projeto abre as portas para a utilização desta tecnologia inovadora de memórias

flash, que estão sendo largamente utilizadas em outros equipamentos, podendo se tornar como

neste projeto, uma ponte de dados entre um computador e qualquer outro dispositivo.

Fica como desafio ao aperfeiçoamento deste projeto, o desenvolvimento de um circuito Sample-

Holding que capture os transientes não capturados neste projeto, também fica como desafio a

miniaturização do mesmo, visto que mesmo sendo de fácil locomoção, o tamanho e o peso do kit

de coleta podem atrapalhar a utilização contínua e sistemática do kit.

55

CAPÍTULO 7 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ALDABÓ, RICARDO. Qualidade na Energia Elétrica. São Paulo, Artliber Editora, 2001.

HAFNER, A; LOPES, H. S.; LIMA, C. R. H.. Implementação de um Medidor de

Qualidade de Energia Usando Computação Reconfigurável por Hardware. São Luiz,

2005. Artigo Científico.

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Apresentação de Qualidade de Energia e Segurança nas Instalações Elétricas. Disponível

em: <http://www.abracopel.org.br/downloads/abracopel2008_qualidade.pdf>. Acesso em:

março de 2008.

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<http://www.procobre.org/pr/pdf/pdf_pr/06_harmonic.pdf>. Acesso em: março de 2008.

ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica, Resolução ANEEL nº 505 de 01 de

Novembro de 2001. Estabelece de forma atualizada e consolidada, as disposições relativas à

conformidade dos níveis de tensão de energia elétrica em regime permanente.

ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica, Resolução ANEEL nº 456 de 29 de

Novembro de 2000. Estabelece, de forma atualizada e consolidada, as Condições Gerais de

Fornecimento de Energia Elétrica.

ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas, NBR 5410 de 30 de Setembro de 2004.

Instalações Elétricas de Baixa Tensão.

56

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MINIPA – Power Quality Analyser, Manual e Operação.

Disponível em: <http://www.voltcom.com.br/Imagens/manual/Et-5060C.pdf>.


BAPTISTA, J; MARTINS, J S.; AFONSO, J. L.. Sistema de Monitoração da Qualidade da

Energia Eléctrica Baseado em PC e Desenvolvido em LABVIEW. Bragança/Portugal,

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VASCONCELOS, L., Eletrônica Básica.

Disponível em: <http://www.laercio.com.br/artigos/hardware/hard-052/hard-052d.htm>.


FERREIRA, R. S., Introdução a Microcontroladores. Disponível em:

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FELITTI, G., Memória Flash transforma-se em opção para substituir disco rígido em

laptops.

Disponível em: <http://www.htmlstaff.org/ver.php?id=5538>.


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nicalDocs/C8051F41x.pdf>.


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IDG NEWS SERVICE., Queda de preço da memória flash estimula inovação.

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memoria-flash-estimula-inovacao/>.


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LABCENTER - Proteus Design Suite, VSM Overview.

Disponível em: <http://www.labcenter.co.uk/products/vsm_overview.cfm>.


FLANAGAN– Michael Thomas Flanagan's Java Scientific Library.

Disponível em: < http://www.ee.ucl.ac.uk/~mflanaga/java/>.

Acesso em: dezembro de 2008.

DERBY – Apache DB Project, Apache Derby.

Disponível em: <http://db.apache.org/derby>.

Acesso em: dezembro de 2008.

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