PROPOSTA DE UM PROTÓTIPO DE UM ANALISADOR DE QUALIDADE DE ... · V - Volt, unidade de tensão...
103
PROPOSTA DE UM PROTÓTIPO DE UM ANALISADOR DE QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA JOÃO HENRIQUE VIEIRA DA SILVA Rio de Janeiro Setembro de 2017 Projeto de Graduação apresentado ao curso de Engenharia Elétrica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção de grau de Engenheiro Eletricista. Orientador: Prof. Jorge Nemésio Sousa, M.Sc.
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PROPOSTA DE UM PROTÓTIPO DE UM ANALISADOR DE
QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA
JOÃO HENRIQUE VIEIRA DA SILVA
Rio de Janeiro
Setembro de 2017
Projeto de Graduação apresentado ao curso de
Engenharia Elétrica da Escola Politécnica,
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte
dos requisitos necessários à obtenção de grau de
Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. Jorge Nemésio Sousa, M.Sc.
PROPOSTA DE UM PROTÓTIPO DE UM ANALISADOR DE
QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA
João Henrique Vieira da Silva
PROJETO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE
ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS
NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO
ELETRICISTA.
Aprovado por:
RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL
SETEMBRO DE 2017
iii
Silva, João Henrique Vieira
Proposta De Um Protótipo De Um Analisador De
Qualidade De Energia Elétrica/ João Henrique Vieira da
Silva – Rio de Janeiro: UFRJ/Escola Politécnica, 2017.
VIX, 85 p .: il.; 29,7 cm.
Orientador: Jorge Nemésio Sousa.
Projeto de Graduação – UFRJ/Escola Politécnica/
Curso de Engenharia Elétrica, 2017.
Referências Bibliográficas: p. 83-85.
1. Qualidade de Energia 2. Medidor 3. Protótipo
I. Nemésio Sousa, Jorge. II. Universidade Federal
do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia
Elétrica. III. Proposta De Um Protótipo De Um Analisador
De Qualidade De Energia Elétrica.
iv
v
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
Escola Politécnica - Departamento de Engenharia Elétrica
Centro de Tecnologia, bloco H, sala H-217, Cidade Universitária
Rio de Janeiro - RJ CEP 21949-900
Este exemplar é de propriedade da Universidade Federal do Rio de Janeiro, que
poderá incluí-lo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar
qualquer forma de arquivamento.
É permitida a menção, reprodução parcial ou integral e a transmissão entre
bibliotecas deste trabalho, sem modificação de seu texto, em qualquer meio que esteja ou
venha a ser fixado, para pesquisa acadêmica, comentários e citações, desde que sem
finalidade comercial e que seja feita a referência bibliográfica completa.
Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do autor.
vi
Dedico esse trabalho especialmente a minha mãe e a todos que estiveram do meu lado
durante minha caminhada.
vii
AGRADECIMENTOS
Agradeço, não só esse trabalho mas qualquer conquista, a Deus, aos meus pais e
minha família por todo o suporte e força que foi disponibilizado durante minha graduação.
Especialmente à minha mãe Antônia Espedita que sempre esteve do meu lado nas
noites de estudo, tentando me confortar, me cedendo um ombro quente e seguro durante
as tempestades do caminho e comemorando cada vitória conquistada. Obrigado mãe.
Agradeço a todas as pessoas amigas e de maneira especial, à minha namorada
Patrícia Rocha, por contribuírem para a minha formação diretamente ou indiretamente
com as horas de estudo, os longos papos reconfortantes, a paciência por aguentarem os
momentos de estresse, Um agradecimento aos que sempre representaram um porto seguro
nessa caminhada.
Agradeço ao meu orientador Jorge Nemésio Sousa, por todo o conhecimento
compartilhado e pela orientação de como fazer o melhor trabalho possível.
Agradeço à Empresa Elemental, ao LABMAQ e ao LEMT pelo suporte técnico
no desenvolvimento desse trabalho.
Finalmente agradeço a todos que fazem parte dessa conquista, muito obrigado.
viii
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como
parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.
PROPOSTA DE UM PROTÓTIPO DE UM ANALISADOR DE
QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA
João Henrique Vieira da Silva
Setembro/2017
Orientador: Jorge Nemésio Sousa, M. Sc.
Curso: Engenharia Elétrica
Atualmente com a demanda crescente de energia elétrica aliada aos efeitos
negativos causado por cargas não lineares que são cada vez mais presente no panorama
de consumo, é fundamental que se analise cada vez mais as consequências refletidas na
qualidade da energia consumida pelos usuários.
Para que sejam tomadas decisões à respeito da atenuação dos problemas gerados
por uma baixa qualidade de energia é necessário que tais efeitos sejam monitorados. A
fim tornar esse monitoramento mais eficiente e com um custo reduzido, este trabalho
apresenta a proposta de um protótipo de um analisador de qualidade de energia com
capacidade de se conectar modularmente e formar uma rede na qual os dados são enviados
para um ambiente online onde são processados e gerados relatórios de Qualidade de
energia.
Palavras-Chaves: Qualidade de energia, medidor, Protótipo.
ix
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial
fulfillment of the requirements for the degree of Electrical Engineer
PROPOSAL OF A PROTOTYPE OF AN ELECTRICAL ENERGY
QUALITY ANALYZER
João Henrique Vieira da Silva
September/2017
Advisor: Jorge Nemésio Sousa, M. Sc.
Course: Electrical Engineering
Nowadays, with the increasing demand for electrical energy coupled with the
negative effects caused by nonlinear loads that are increasingly present in the
consumption scenario. It is fundamental more and more analyze the consequences
reflected in the quality of energy consumed by users.
In order to make decisions regarding the mitigation of the problems generated by
a low quality of energy it is necessary that such effects are monitored. Towards to make
this monitoring more efficient and at a reduced cost, this work presents the proposal of a
prototype of an energy quality analyzer with the capacity to connect modularly and form
a network in which the data is sent to an online environment where they are Processed
and generated Power Quality reports.
Key Words: Power Quality, analyzer, prototype.
x
SIGLAS E SÍMBOLOS
A - Ampere, unidade de medida da corrente elétrica
A - Altura
A/D - Analógico para Digital
ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica
API - Application Programming Interface
ARM - Advanced RISC Machine
CA - Corrente Alternada
CC - Corrente Contínua
CI - Circuito Integrado
Cº - grau na escala termométrica de Celsius
COPPE – Coordenação dos Programas de Pós-Graduação da UFRJ – Instituto
Alberto Luiz Coimbra de Pós-graduação e Pesquisa de Engenharia
CPU - Central Processing Unit
DHT - Distorção Harmônica Total
EPRI - Electric Power Research Institute
EUA - Estados Unidos da América
F - Faraday, unidade de carga elétrica - capacitância
FFT - Fast Fourier Transform
Fº - grau na escala termométrica de Fahrenheit
FP - Fator de Potência
GB - Gigabytes, unidade de armazenamento de dados que vale 1.000 megabytes
(1.073.741.824 bytes)
GIGA (G) - prefixo do SI de unidades que indica que a unidade padrão foi
multiplicada por um fator de 109 ou 1.000.000.000 - um bilhão.
HTTP - Hypertext Transfer Protocol
HU - Hospital Universitário
Hz - Hertz, unidade de medida para frequência
IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers - Instituto de Engenheiros
Eletricistas e Eletrônicos
L – Largura
LABMAQ - Laboratório de Máquinas Elétricas
LED - Light Emitting Diode
LEMT - Laboratório de Eletrônica de Potência e Média Tensão
xi
LR-WPAN - Lower Rate Wireless Personal Area Network
m – Metro, unidade de distância
MAC - Media Access Control
MB - Megabytes, unidade de armazenamento de dados que vale 1.000 bytes
(1.048.576 bytes).
MEGA (M) - prefixo do SI que indica que a unidade padrão foi multiplicada por
106 ou um milhão
Mili(m) - prefixo do SI que indica que a unidade padrão foi multiplicada por 10-3
ɸ - ângulo entre tensão e corrente
P - Profundidade
Pico (p) - prefixo do SI que indica que a unidade foi multiplicada por 10-12 ou
1/1.000.000.000.000 - a bilionésima parte.
PLT - Probability Long Term
POLI - Escola Politécnica da UFRJ
PST - Probability Short Term
PWM - Pulse Width Modulation
px – Pixel, menor elemento em um dispositivo de exibição ao qual é possível atribuir-se
uma cor.
QEE - Qualidade de Energia Elétrica
Quilo (k) - prefixo do SI que indica que a unidade de medida padrão foi
multiplicada por mil - 103.
RMS - Root Mean Square
SI - Sistema Internacional de unidades
SRAM - Static Random Access Memory
TC - Transformador de Corrente
TCC - Trabalho de Conclusão de Curso
TI - Tecnologia da Informação
TP - Transformador de Tensão
TTL - Transistor Transistor Logic
USB - Universal Serial Bus
UFRJ - Universidade Federal do Rio de Janeiro
V - Volt, unidade de tensão elétrica
VA - Volt Ampere, unidade de potência aparente
VAr - Volt Ampere reativo, unidade de potência reativa
xii
VGA - Video Graphics Array
W – Watt, unidade de potência ativa
Ω - Ohm, unidade de medida da resistência elétrica
xiii
Sumário
LISTA DE FIGURAS ....................................................................................... xv
LISTA DE TABELAS .................................................................................... xvii
1 INTRODUÇÃO ............................................................................................. 1
1.1 Apresentação ........................................................................................... 1
1.2 Objetivos - Geral e Específicos .............................................................. 1
1.3 Relevância do Estudo .............................................................................. 2
1.4 Limitações do Estudo .............................................................................. 3
1.5 Descrição do Trabalho ............................................................................ 3
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................... 4
2.1 Qualidade de Energia Elétrica ................................................................ 4
2.1.1 Distúrbios da Rede Elétrica .............................................................. 4
2.2 Instrumentação e Processamento das Grandezas Elétricas ..................... 8
2.2.1 Tipos de Medição de Corrente .......................................................... 9
2.2.2 Tipos de Medição de Tensão ........................................................... 12
2.2.3 Instrumentação Digital via Microcontroladores ............................ 13
2.2.4 Amostragem Digital ........................................................................ 15
2.2.5 Rotinas de Cálculos ........................................................................ 16
2.2.6 Transmissão de Dados para um Banco .......................................... 20
Revisão de Alguns Medidores de Mercado .......................................... 25
2.3.1 Fluke 43B ........................................................................................ 26
2.3.2 Minipa ET-5051 .............................................................................. 28
2.3.3 EAMC PEL 102 ............................................................................... 30
2.3.4 Comparação .................................................................................... 31
3. METODOLOGIA ..................................................................................... 33
Delineamento da Pesquisa .................................................................... 33
Definição de Pesquisa ........................................................................... 33
xiv
Classificação e Tipos de Pesquisas ....................................................... 34
4. DESENVOLVIMENTO ........................................................................... 38
Aspectos Gerais do Protótipo ............................................................... 38
Desenvolvimento do Protótipo Apresentado ........................................ 40
4.2.1 Pré-processamento ............................................................................ 41
4.2.2 Processamento ................................................................................... 50
4.2.3 Transmissão para o Banco de Dados ................................................ 59
Validações Comparativas com Aparelho de Mercado .......................... 65
4.3.1 Carga Puramente Resistiva ............................................................ 66
4.3.2 Carga Resistiva com Caráter Indutivo ........................................... 67
4.3.3 Carga Resistiva com Caráter Capacitivo ....................................... 69
4.3.4 Carga Resistiva com Caráter não Linear ....................................... 70
Ensaios de Campo Realizados .............................................................. 72
5. CONCLUSÃO .......................................................................................... 76
Conclusões Gerais ................................................................................. 76
5.1.1 Custos de Montagem .......................................................................... 76
5.1.2 Desempenho na Aquisição e Processamento de Dados .................... 77
5.1.3 Desempenho na Transmissão dos Dados .......................................... 79
5.2 Sugestões de Trabalhos Futuros ........................................................... 80
5.2.1 Recomendações para o Hardware ..................................................... 80
5.2.2 Recomendações para o Firmware ..................................................... 82
Referências Bibliográficas .................................................................................. 83
xv
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 - Exemplo do efeito Flicker................................................................. 5
Figura 2.2 - Afundamento de Tensão. .................................................................. 6
Figura 2.3 - Presença de ruído em um sinal senoidal.. ......................................... 6
Figura 2.4 - Tensão de alimentação de um conversor CA/CC. ............................ 7
Figura 2.5 - TC para medir até 100 A. .................................................................. 9
Figura 2.6 - Funcionamento do sensor de efeito Hall. ....................................... 10
Figura 2.7 - Exemplos de resistores shunts para medição de corrente. ............. 11
Figura 2.8 - Bobina de Rogowski. ....................................................................... 11
Figura 2.9 - Exemplos de TPs para instrumentação. .......................................... 12
Figura 2.10 - Divisor resistivo ............................................................................ 13
Figura 2.11 - Transdutor de tensão. .................................................................... 13
Figura 2.12 - Arquitetura básica de um microcontrolador.................................. 14
Figura 2.13 - Amostragem de um sinal analógico .............................................. 15
Figura 2.14 - Amostragem de 3 sinais que têm o mesmo resultados.................. 16
Figura 2.15 - Rotina de cálculo desempenhada pelo instrumento ...................... 17
Figura 2.16 - Algoritmo para o obtenção da série de Fourier ............................ 19
Figura 2.17 - Esquema ilustrativo do processo de análise da qualidade de energia
elétrica ................................................................................................................. 21
Figura 2.18 - Envio de um byte pelo protocolo serial ........................................ 22
Figura 2.19 - Topologias estrela e peer-to-peer ................................................. 24
Figura 2.20 - Ilustração da funcionalidade do gateway ...................................... 25
Figura 2.21- Analisador de qualidade de energia Fluke 48B ............................. 27
Figura 2.22 - Analisador de qualidade de energia Minipa ET-5061C. ............... 28
Figura 2.23 - Analisador de qualidade de energia AEMC PEL 102. ................. 30
Figura 4.1 - Protótipo do medidor desenvolvido. ............................................... 39
Figura 4.2 - Coordenando da rede de instrumentos... ......................................... 40
Figura 4.3 - Etapas de desenvolvimento do medidor... ...................................... 41
Figura 4.4 - Diagrama a de blocos da etapa de pré-processamento. ................... 42
Figura 4.5 - Transformador usado como transdutor de tensão ........................... 43
Figura 4.6 - Transformador de corrente usado no protótipo ............................... 44
Figura 4.7 - Circuito do TC do tipo saída de tensão ........................................... 44
xvi
Figura 4.8 - Comparação entre o sinal de saída do TP e o sinal com a adição da
componente CC .................................................................................................. 45
Figura 4.9 - Comparação entre o sinal de saída do TP e o sinal com um
condicionamento otimizado ................................................................................ 46
Figura 4.10- Circuito condicionador de sinal de tensão ..................................... 47
Figura 4.11 - Circuito condicionador de sinal de corrente ................................. 47
Figura 4.12 - Circuito que contém os condicionadores de tensão e corrente
integrados ............................................................................................................ 48
Figura 4.13 - Circuito já montando que é usado no protótipo desenvolvido ...... 49
Figura 4.14 – Sinais de tensão de entrada e de saída do circuito condicionador 49
Figura 4.15 – Sinais de corrente de entrada e de saída do circuito condicionador
............................................................................................................................ 50
Figura 4.16 - Diagrama a de blocos da etapa de processamento. ....................... 51
Figura 4.17 - Microcontrolador ATmega1280 .................................................... 52
Figura 4.18 - Exemplo de uma coleta de 700 pontos ......................................... 53
Figura 4.19 - Sequência de pontos amostrados para a validação dos algoritmos de
cálculos. .............................................................................................................. 55
Figura 4.20 – Fotografia dos rádios usados no projeto ....................................... 57
Figura 4.21 - Exemplificação da montagem do rádio XBee e uma plataforma
adaptável para microcontroladores ..................................................................... 58
Figura 4.22 - Diagrama esquemático da transmissão dos dados até o banco de
dados ................................................................................................................... 59
Figura 4.23 - Etapa de transmissão detalhada .................................................... 60
Figura 4.24 - Raspbarry Pi 3 Model B ............................................................... 62
Figura 4.25 - Tela referente ao banco de dados usado........................................ 63
Figura 4.26 - Esquema simplificado de ligação nos pinos do ATmega1280 ...... 64
Figura 4.27 - Medidor Mavowatt 30 ................................................................... 65
Figura 4.28 – Esquema do circuito puramente resistivo aplicado ao primeiro
ensaio. ................................................................................................................. 66
Figura 4.29 - Fotografia do arranjo puramente resistivo montado para o ensaio
realizado. ............................................................................................................. 66
Figura 4.30 - Esquema do circuito de caráter indutivo usado no segundo ensaio
............................................................................................................................ 67
Figura 4.31 - Fotografia do arranjo indutivo montado para o ensaio ................. 68
xvii
Figura 4.32 - Esquema do circuito de caráter capacitivo usado no terceiro ensaio
............................................................................................................................ 69
Figura 4.33 - Fotografia do arranjo capacitivo montado para o ensaio .............. 70
Figura 4.34 - Esquema do circuito de caráter não linear usado no quarto ensaio
............................................................................................................................ 71
Figura 4.35 - Fotografia do arranjo com lâmpadas fluorescentes e uma
incandescente montado para o ensaio ................................................................. 71
Figura 4.36 - Fotografia do Fluke-435-II usando no ensaio de campo............... 73
Figura 4.37 – Comparação entre o histograma dos valores de frequência ......... 74
Figura 4.38 – Comparação entre o histograma dos valores de tensão ................ 74
Figura 4.39 – Comparação entre o histograma dos valores de corrente ............. 75
Figura 4.40 – Comparação entre o histograma dos valores do DTH .................. 75
Figura 5.1 - Plataforma Teensy 3.6 ..................................................................... 81
Figura 5.2 - Rádio transmissor ESP8266 ............................................................ 81
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 - Principais Distúrbios de Relacionados a Qualidade de Energia. ...... 7
Tabela 2.2 - Distribuição de Frequência para o padrão IEEE 802.15.4. ............ 23
Tabela 2.3 - Principais parâmetros que podem ser gravados com Fluke 43B. ... 27
Tabela 2.4 - Faixas de decomposição harmônicas feitas pelo Fluke 43B. ......... 28
Tabela 2.5 - Parâmetros que podem ser gravados com Minipa ET-5061C. ....... 29
Tabela 2.6 - Faixas de decomposição harmônicas feitas pelo Minipa ET-5061C.
............................................................................................................................ 29
Tabela 2.7 - Principais parâmetros que podem ser gravados com AEMC PEL 102..
............................................................................................................................ 31
Tabela 2.8 - Tabela comparativa dos medidores revisados. ............................... 31
Tabela 4.1 - Indicadores que são medidos pelo protótipo. ................................. 39
Tabela 4.2 - Principais características do ATmega1280. .................................... 52
Tabela 4.3 - Comparação entre os resultados gerados pelo Matlab e o algoritmos
implementados no ATmega1280. ........................................................................ 55
Tabela 4.4 - Formatação correta dos dados para o correto envio ao banco de dados.
............................................................................................................................ 56
Tabela 4.5 - Principais características do XBee usado. ....................................... 57
xviii
Tabela 4.6 - Campos de um pacote ZigBee Transmit Request. .......................... 59
Tabela 4.7 - Campos de um pacote ZigBee Receive Packet. ............................. 59
Tabela 4.8 - Especificações do Raspbarry Pi 3 Model B. .................................. 62
Tabela 4.9 - Resultados obtidos no ensaio com cargas puramente resistivas. .... 67
Tabela 4.10 - Resultados obtidos no ensaio com cargas de caráter indutivo...... 68
Tabela 4.11 - Resultados obtidos no ensaio com cargas de caráter capacitivo. . 70
Tabela 4.12 - Resultados obtidos no ensaio com cargas de caráter não linear. .. 71
Tabela 5.1 - Estratificação dos custos de montagem de uma unidade de medição.
............................................................................................................................ 76
Tabela 5.2 - Resultados das discrepâncias relativas dos ensaios realizados. ...... 77
1
1 INTRODUÇÃO
1.1 Apresentação
Devido à grande importância de acompanhar a qualidade de energia para solucionar
problemas de âmbito técnico e econômico, a instrumentação das grandezas elétricas é
fundamental para que se possa chegar às soluções destas questões. Os dados resultantes desses
instrumentos ainda são de difícil obtenção, não sendo possível a aquisição por medidores
convencionais de consumo elétrico, além de não serem atrativos para concessionárias
distribuidoras de energia.
O desenvolvimento de um medidor de qualidade de energia elétrica, que atenda às
necessidades de consumidores finais de baixa potência (residências e pontos comerciais), sendo
aplicável a um baixo custo, com modularidade e capacidade de transmissão dos dados das
grandezas elétricas via internet, representa grandes avanços na busca por sistema energético mais
eficiente. A partir desse instrumento, é possível acompanhar mais minuciosamente o consumidor
final, além de o acompanhamento em tempo real desses dados. O resultado de tal tecnologia seria
uma grande economia e maior eficácia na distribuição e uso da eletricidade.
1.2 Objetivos - Geral e Específicos
O objetivo do trabalho consiste no desenvolvimento de um protótipo de medidor para a
qualidade de energia em sistemas de baixa tensão, como de residências, comércios e
consumidores industriais de baixa potência, implementado a um sistema de medição inteligente
com uma plataforma de visualização online a baixo custo.
Para possibilitar tal desenvolvimento, foi necessário segmentar o objetivo principal em
outros mais específicos como: avaliar o que existe no mercado de medidores, com comparação
entre modelos existentes e análise de suas características e funções de cada um, realizado por
meio da revisão bibliográfica; elaborar o protótipo a partir das informações coletadas na revisão;
validar os dados obtidos e demonstrar as funcionalidades do protótipo; montar banco de dados
online coletados pelo protótipo.
2
1.3 Relevância do Estudo
Com o desenvolvimento da eletrônica de potência, foram obtidos grandes avanços na
eficiência energética, controlabilidade e custo, permitindo a execução de tarefas que antes eram
inviáveis. Entretanto, essas tecnologias são baseadas na comutação de chaves eletrônicas que se
comportam como cargas não lineares, sendo, dessa forma, uma fonte de harmônicos que poluem
a rede elétrica, com a geração de perdas e, possivelmente, danos dos próprios equipamentos que
a ela estão conectados. Os prejuízos econômicos decorrentes destes e de outros problemas que
envolvem qualidade de energia no sistema elétrico são muito elevados. É fundamental que a
questão da qualidade de energia seja, mais do que nunca, objeto de preocupação tanto pelas
agências reguladoras quanto pelo próprio consumidor. Conforme MARTINS, COUTO e
AFONSO (2003), resultados de relatórios do Electric Power Research Institute (EPRI) mostram
que anualmente os problemas de qualidade de energia custam mais de 119 bilhões de dólares.
Ao mesmo tempo, grandes avanços nas áreas de Tecnologia da Informação (TI), a
microeletrônica e as telecomunicações permitiram a criação de dispositivos com capacidade de
conexão entre si e com a internet, promovendo um conjunto de dados e possibilitando tomadas
de decisão específicas para subconjuntos de dispositivos na rede formada. FALCÃO (2010), cita
exemplos de alguns avanços que estimularam a aplicação de medidores inteligentes no setor
elétrico.
Infraestrutura Automática de Medição: dispositivos com a capacidade de coleta
automática de dados e transferência para um sistema centralizado, denominados de smart
meters.
Equipamentos Prediais e Eletrodomésticos Inteligentes: são capazes de interagir com
dados da rede e, em resposta, alterar sua demanda em função do preço ou da
confiabilidade do sistema.
Dispositivos para Medição Fasorial Sincronizada: disponibilizam dados importantes
para a determinação do sistema elétrico e sua operação.
Um outro aspecto interessante no estudo de FALCÃO [11] é o potencial econômico e
ambiental. Estima-se que 20% da energia mundial produzida é perdida em consequência da
ineficiência do setor energético, representando milhares de toneladas de carbono emitidos
anualmente. Por sua vez, SCHETTINO (2013) mostra que um sistema mais inteligente possibilita
a redução nas perdas durante a transmissão e distribuição de energia.
3
De acordo com OLIVEIRA (2015), além de toda melhoria do ponto de vista da eficiência
do sistema elétrico, permitir que o usuário acompanhe seu consumo repercute em um melhor uso
da eletricidade. Nesse mesmo trabalho, OLIVEIRA [27] mostra que, através dos dados obtidos
pelo sistema Google Power Meter, houve uma redução de 15% no consumo quando o
proprietário tinha acesso direto e em tempo real às informações de uso.
1.4 Limitações do Estudo
O protótipo desenvolvido apresenta algumas limitações relacionadas as características e
funcionalidades propostas. Esse instrumento se limita a aquisição das grandezas de somente uma
fase, ou seja, sua aplicação não envolve um sistema trifásico. Também não apresenta, ainda, um
modelo construtivo adequado para ser produzido em escala industrial. As limitações em suas
funcionalidades estão relacionadas a uma interface simples e pouco desenvolvida, com
incapacidade de fazer leituras contínuas, não tendo, dessa forma, a possibilidade de registrar
falhas pontuais no sistema, como afundamentos de tensão, picos de corrente ou qualquer outro
distúrbio de caráter transitório.
1.5 Descrição do Trabalho
O trabalho apresentado é dividido em cinco Capítulos. O primeiro é a Introdução, na qual
são apresentados os objetivos, relevância e limitações desse trabalho. A revisão da bibliografia
sobre qualidade de energia, instrumentação digital e a análise de alguns aparelhos mercado foi
feita no Capítulo 2. No Capítulo 3 foram explorados os métodos e a classificação desse trabalho
quanto aos tipos de pesquisas realizadas para a realização do TCC. O Capítulo 4 é o detalhamento
do desenvolvimento do medidor proposto, no qual são apresentados os componentes usados no
projeto, juntamente com os ensaios de validação e verificação da legitimidade do que foi
desenvolvido. Finalmente, no último Capítulo, são apresentadas as conclusões do trabalho, com
base no que foi visto durante os ensaios, e as recomendações futuras.
4
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Para a revisão bibliográfica dos equipamentos de mercado, é necessária a compreensão
de conceitos relacionados à qualidade de energia elétrica e instrumentação.
2.1 Qualidade de Energia Elétrica
Nessa Seção, estão apresentados conceitos relativos à qualidade de energia e os seus
principais distúrbios.
Segundo o estudo de SANTOS (2012), qualidade de energia elétrica pode ser definida
como a compatibilidade entre a fonte de eletricidade e o equipamento elétrico que a consome de
forma a atender as suas necessidades. “Hoje em dia existem vários distúrbios que afetam a qualidade da energia elétrica, a título de exemplo
destaca-se os transitórios impulsivos e oscilatórios, variações na tensão de curta e longa duração, interrupções,
desequilíbrio de tensão, desequilíbrio entre cargas, harmônicos e demais fatores. Tais distúrbios são causados por
descargas atmosféricas, manobras no sistema, cargas desequilibradas e não lineares partidas de motores e
variações de cargas. Estes efeitos podem ter diferentes níveis de impactos dependendo da susceptibilidade do
equipamento do usuário final. Para uma dada susceptibilidade do equipamento, o impacto dos distúrbios pode ser
minimizado através proteções em gerais. Para a escolha da melhor opção se faz necessário um estudo econômico
envolvendo custo benefício, pois a qualidade da energia, depois da segurança pessoal, tem como objetivo principal
uma energia de baixo custo”.
OLIVEIRA (2000) demonstrou que alguns fatores podem operar fora de condições
normais em um sistema. Foram observadas as grandezas de frequência que, em condições
normais, era 60 Hz com uma variação aceitável de 0,5 Hz. A tensão também foi observada,
levando-se em conta 3 aspectos: forma de onda, magnitude da tensão e simetria do sistema
elétrico [28].
2.1.1 Distúrbios da Rede Elétrica
MEHL (2011) apresentou muitos aspectos que permitem a avaliação da qualidade de
energia elétrica como, por exemplo, a continuidade do fornecimento, o nível de tensão, as
oscilações, os desequilíbrios, as distorções harmônicas e a interferência em sistemas de
comunicações. Dentro dos distúrbios referentes às oscilações de tensão, existem: os impulsivos;
os transitórios; as variações no valor eficaz (de curta ou longa duração); os de desequilíbrio de
5
tensão; e as distorções na forma de onda. Estes distúrbios representam desvios em regime da
forma de onda em relação à onda teórica, puramente senoidal.
Nessa Seção são apresentadas algumas definições clássicas dos distúrbios mais comuns,
conforme os estudos de MEHL [21] e SANTOS [32].
Flicker ou Flutuação de Tensão - É a variação brusca e intermitente do valor eficaz de
tensão de uma faixa entre 0,1% e 7%, como ilustrado na Figura 2.1. Dois parâmetros caracterizam
esse efeito: o PST - Probability Short Term, que indica a magnitude da flutuação de tensão em
um período de dez minutos; e o PLT - Probability Long Term, que é a severidade da flutuação
de tensão em um período de contínuo de duas horas [32].
Figura 2.1 - Exemplo do efeito Flicker [32].
Notching - um afundamento abrupto da tensão que ocorre em cada alternância, podendo
ou não cair a zero ou mudar de sinal. É causada basicamente por conversores de energia trifásicos
que proporcionam curto-circuito momentâneo entre fases [21].
Desequilíbrio de Tensão - É a diferença entre a magnitude das tensões de fase de
circuitos polifásicos. Pode ser ocasionada pelos tipos de transformadores de distribuição
utilizados, pela natureza da carga ou ainda pela forma como os consumidores estão conectados
nas fases e neutro da rede de distribuição com os diferentes níveis de corrente que absorvem em
cada instante de tempo da curva de carga diária [21].
Elevação de Tensão – É o aumento da tensão de alimentação acima do limite normal,
conforme normas técnicas pertinentes. Sendo a duração menor que 2 segundos, este fenômeno é
conhecido como ondulação de tensão ou voltage swell. Quando a duração ultrapassa esse tempo,
o distúrbio é definido como sobretensão ou overvoltage. Há situações em que a elevação da
6
tensão acima do limite ocorre em um período extremamente curto, da ordem de micro ou
milissegundos. Este fenômeno é conhecido como surtos ou spikes [21].
Afundamento de Tensão - Semelhante ao item anterior, no entanto, é caracterizado pela
diminuição no nível da tensão abaixo do limite estabelecido por norma técnica. Nos casos em
que a duração é menor que 2 segundos, denomina-se como Sag. Porém, se a duração ultrapassar
esse valor, o distúrbio é definido como undervoltage [21].
Figura 2.2 - Afundamento de Tensão [21].
Ruído - Distorção da tensão senoidal através da superposição de um sinal de alta
frequência (da ordem de MHz). Esse problema é classificado em dois tipos: ruído de modo
comum, que é a diferença de tensão entre neutro e a terra; e ruído de modo normal, sendo a
diferença da tensão entre o condutor fase e neutro [21].
Figura 2.3 - Presença de ruído em um sinal senoidal [21].
Harmônicos - São ondas de corrente ou tensão que possuem frequências múltiplas da
frequência fundamental. Na presença desse efeito, a tensão e corrente não têm formato senoidal,
no entanto, esse sinal pode ser decomposto em um somatório de ondas senoidais em diversas
frequências, conhecidas como componentes harmônicos da onda original. Para a onda senoidal
de 60 Hz, os harmônicos de ordem ímpar são a terceira (180 Hz), a quinta (300 Hz), a sétima
7
(420 Hz) e assim por diante. A presença de harmônicos interage com o sistema de distribuição,
causando distorções e perdas na tensão. Outros tipos são o aquecimento e vibração excessivos
em motores, aquecimentos e ruídos em transformadores, erros de frequência, nível de tensão
elevado entre o neutro e o terra, e campos magnéticos significativos ao redor de transformadores
e disjuntores [32].
Interharmônicos - São harmônicos não múltiplos de 60 Hz, oriundos de cargas com
formas de corrente não periódicas em 60 Hz [21].
Figura 2.4 - Tensão de alimentação de um conversor CA/CC [28].
A Tabela 2.1 apresenta o resumo das principais características dos itens de qualidade de
energia, juntamente com as causas básicas, efeitos e soluções que os envolve.
Tabela 2.1 - Principais Distúrbios de Relacionados a Qualidade de Energia [28]
Tipo de Distúrbio Causas Efeitos
Transitórios
Impulsivos
Descargas atmosféricas
Chaveamentos de cargas
Excitação de circuitos ressonantes
Redução da vida útil de máquinas
elétricas
Transitórios
Oscilatórios
Descargas atmosféricas
Chaveamentos de equipamentos
Mal funcionamento de equipamentos
controlados eletronicamente,
conversores de potência
8
Tipo de Distúrbio Causas Efeitos
Sub e Sobre tensões
Partidas de motores
Variações de cargas
Chaveamento de
capacitores
Redução na velocidade dos motores
de indução e no reativo dos bancos
de capacitores
Operação indevida de relés de
proteção
Interrupções
Curto-circuito
Operação de disjuntores
Manutenção
Falha de equipamentos eletrônicos e
de iluminação
Desligamento de equipamentos
Desequilíbrios
Fornos a arco
Cargas monofásicas e
bifásicas
Assimetrias entre as
impedâncias
Redução da vida útil de motores de
indução e máquinas síncronas
Geração, pelos retificadores, de 3º
harmônico e seus múltiplos
Harmônicos Cargas não-lineares
Sobreaquecimento de cabos,
transformadores e motores de
indução
Danificação de capacitores
Notching Equipamentos de
eletrônica de potência
Ruídos
Chaveamento de
equipamentos eletrônicos
de potência
Radiações
eletromagnéticas
Distúrbios em equipamentos
microprocessados
Oscilações de Tensão
Cargas intermitentes
Fornos a arco
Partidas de motores
Cintilação
Oscilação de potência e torque nas
máquinas elétricas
Interferência nos sistemas de
proteção
2.2 Instrumentação e Processamento das Grandezas Elétricas
Depois de apresentados os conceitos relativos à qualidade de energia e seus principais
distúrbios, faz-se necessário avaliar como é feita a aquisição e processamento dessas grandezas
elétricas que possibilitam a obtenção da qualidade de energia a ser instrumentada.
9
Para melhor abordagem deste item, foi consultado o estudo de CARBONERA (2013)
sobre os tipos de medidores de corrente e tensão, com o intuito de selecionar os que serão usados
para implementar o medidor monofásico proposto [5].
2.2.1 Tipos de Medição de Corrente
Transformadores de Corrente indutivos (TC) - reproduz no secundário uma reflexão
em menor escala da corrente de seu primário que seja mais adequada para o uso em instrumentos
de medição, controle e proteção. O TC é conectado em série com o circuito a ser medido. Para
tal conexão, sua impedância deve ser baixa em relação a do circuito para diminuir os erros de
medição. Existem diversas faixas de operação de TCs. A Figura 2.5 mostra um TC, tipo núcleo
dividido, com capacidade até 100 A.
Figura 2.5 - TC para medir até 100 A [39]
Transdutores de Efeito Hall - Conforme CARBONERA [5], tem-se.
“O efeito Hall1 existe devido a uma caraterística própria do fluxo de cargas em um
determinado material condutor ou semicondutor.
1 O efeito Hall - Quando um fio condutor, percorrido por uma corrente elétrica, é colocado na presença de um
campo magnético as cargas deste condutor sofrerão uma força magnética, que provoca uma corrente perpendicular
a direção de propagação da corrente inicial. Este fenômeno foi observado primeiramente por Edwin H. Hall em
1879.
10
A corrente elétrica é afetada pela influência da força de Lorentz2 na presença de um campo magnético.
Quando não existe um campo magnético, a força de Lorentz também estará ausente, desta forma a corrente elétrica
segue um caminho aproximadamente retilíneo. Se a corrente elétrica atravessa uma região com um campo magnético
perpendicular, ela acaba distribuindo a densidade de carga assimetricamente. Como consequência, forma-se uma
diferença de potencial, denominada de tensão de Hall, conforme a Figura 2.6”.
“Os transdutores de efeito Hall são muito utilizados por contarem com uma boa precisão (entre 1% e
0,5%) e ainda por possuírem isolação galvânica. Sua principal desvantagem, em relação aos outros tipos de
medidores é o seu elevado custo”.
Figura 2.6 - Funcionamento do sensor de efeito Hall [5].
Resistores Shunts- Sendo um modo mais simples de fazer uma aquisição de corrente,
este tipo de medidor consiste em um resistor com uma baixa impedância (0,3 Ω) conectado em
série ao circuito e, por meio da queda de tensão, é possível aferir a corrente passante, usando as
relações básicas de Ohm3. Conta com uma alta precisão se comparado com outros tipos de
medição de corrente. Tem como desvantagem a necessidade de invadir o circuito a ser medido,
ou seja, fazer parte dele.
2 Hendrik Lorentz (1853 – 1928, Países Baixos). Recebeu em 1902 o Nobel de Física por seu trabalho sobre
as radiações eletromagnéticas. A maior parte de seus trabalhos envolveu o eletromagnetismo. Deixou seu nome
às transformações de Lorentz, que formam a base da teoria da relatividade restrita de Einstein. 3 Georg Simon Ohm (1789 – 1854, Alemanha) - Físico e matemático alemão que entre 1826 e 1827,
desenvolveu a primeira teoria matemática da condução elétrica nos circuitos.
11
Figura 2.7 - Exemplos de resistores Shunts para medição de corrente [17].
Bobina de Rogowski4 - Funciona detectando o campo magnético no espaço em torno do
condutor e modelado pela lei de Ampère5, que é a relação entre a passagem de corrente no
condutor e o campo magnético em torno dela. A principal vantagem é que esse transdutor faz
uma medição isolada e não precisa interromper o circuito. Suas desvantagens são para fazer o
circuito de aquisição, pois é preciso um bom tempo de estudo e testes. Existe a possibilidade de
comprar uma Bobina de Rogowski com a aquisição pronta, porém o preço fica mais elevado [5].
Figura 2.8 - Bobina de Rogowski [5].
4 Walter Rogowski (1881 – 1947, Alemanha) - Físico alemão que teve sua contribuição principal na construção
de uma ligação entre a Física teórica e a tecnologia aplicada, em várias áreas da eletrônica. 5 André-Marie Ampère (1775 – 1836, França) - físico, filósofo, cientista e matemático francês que fez
importantes contribuições para o estudo do eletromagnetismo.
12
2.2.2 Tipos de Medição de Tensão
Assim como os de correntes, existem alguns transdutores de tensão que usam diferentes
meios para as medições. Neste tópico estão descritos os alguns voltados para as tensões mais
comuns e aplicáveis para o protótipo desenvolvido neste trabalho.
Transformador de Potencial (TP) - O TP, Figura 2.9, é um equipamento usual para
sistemas de medição de tensão elétrica, sendo capaz de reduzir a tensão do circuito para níveis
compatíveis com a máxima tolerável pelos instrumentos de medição. Os TPs são fabricados de
uma forma que apresentam uma relação de transformação com uma ótima exatidão se comparado
com os transformadores comuns. A tensão reduzida do circuito secundário do TP também é usada
para alimentar, de forma igualmente segura, os circuitos de proteção e controle de subestações e
instalações industriais. As vantagens dos TPs são de isolar o circuito de medição e sua
simplicidade de utilização. No entanto, sua precisão não é tão apurada quanto às outras formas
de medição, podendo causar atraso de fase e possui largura de banda limitada [5].
Figura 2.9 - Exemplos de TPs para instrumentação [5].
Divisor Resistivo - Possivelmente o medidor de tensão mais simples e preciso. Seu
funcionamento é baseado em um divisor que vai gerar um sinal proporcional ao que foi aplicado
através de leis básicas de Ohm6. A grande desvantagem desse medidor é o fato de ser totalmente
acoplado ao circuito de medição, tendo que usar optoacoplador analógico. Na Figura 2.10 é
apresentado o esquema funcionamento desse tipo de transdutor [5].
6 Quando um condutor mantido à temperatura constante, a razão entre a tensão entre dois pontos e a corrente
elétrica é constante. Essa constante é denominada de resistência elétrica.
13
Figura 2.10 - Divisor resistivo [5].
Transdutor de Tensão - Baseado no Efeito Hall, tem a vantagem de medir tensão
alternada, contínua e pulsada com isolação galvânica entre o primário e o secundário. Este tipo
de sensor conta ainda com uma boa linearidade, boa precisão e alta banda passante. Como
desvantagem, o seu custo é elevado [5].
Figura 2.11 - Transdutor de tensão [8].
2.2.3 Instrumentação Digital via Microcontroladores
Por muitos anos, os instrumentos utilizados foram baseados na movimentação de
mecanismos através de campos magnéticos gerados pelas grandezas elétricas a serem medidas,
ou seja, pelo mecanismo de d'Arsonval7.
Com a inserção da instrumentação digital, surgiram as técnicas de conversão analógica-
digital. Dessa forma, tornou-se dispensável qualquer deslocamento mecânico, antes necessário
para a medição, tornando esse processo totalmente eletrônico como é apresentado no trabalho de
MOREIRA (2006).
7 Mecanismo baseado em uma bobina de fio muito fino, montada em um eixo móvel e instalada entre os polos de
um ímã fixo. Quando circula corrente eléctrica pela bobina, forma-se um campo magnético que interage com o
campo do ímã, e a bobina gira, movendo um ponteiro, ou agulha, sobre uma escala graduada.
14
Conforme MARTINS (2005), um instrumento digital pode ser implementado utilizando
microcontroladores, definidos como componentes eletrônicos computadorizados que apresentam
em um mesmo encapsulamento um processador, pinos de entradas/saídas, memória,
temporizadores e conversores. Por meio da programação dos microcontroladores, é possível
controlar suas saídas, tendo como referência as entradas que são processadas por um programa
interno ao componente.
Figura 2.12 - Arquitetura básica de um microcontrolador.
Fonte: o autor.
A seguir, são descritas por MARTINS[19] as funcionalidades dos componentes na
arquitetura presente em um microcontrolador, apresentado na Figura 2.12.
Microprocessador - Interpreta as instruções de programa e processar dados.
Memória de Programa - Armazena de maneira permanente as instruções do programa.
Memória de Dados - Memoriza os valores associados com as variáveis definidas no
programa.
Pinos de Entrada e Saída - Terminais que possibilitam a leitura e geração de sinais
elétricos.
Temporizadores – Controla a velocidade e ritmo de processamento através de geradores
de sinal de clock.
Comunicação Serial - Estabelece o recebimentos e envio de dados via protocolos de
comunicação.
Geradores de Modulação por Largura de Pulso - Emula sinais analógicos, ou seja,
fora do padrão TTL que só pode assumir o valor de 0 ou 5 Volts.
15
Tais funcionalidades fazem que o hardware final fique extremamente complexo. Isto é
uma das características fundamentais que o diferencia dos microprocessadores, pois estes não
possuem todos esses recursos em uma única pastilha.
Na Seção 2.2.4 serão vistos especialmente dois circuitos muito importantes para a criação
do analisador de energia proposto: o conversor analógico digital e a comunicação serial.
2.2.4 Amostragem Digital
Depois de transduzidas e condicionadas, pelos sensores vistos na Seção 2.2, as grandezas
elétricas podem ser amostradas pelo microcontrolador. Como este projeto utiliza recursos de
computação digital para armazenar e processar os dados, é necessário converter tais valores que
a tensão e corrente assumem em valores digitais. Como é explicado por OLIVEIRA (2008), para
a conversão é utilizado um conversor Analógico/Digital (A/D) que quantifica esses diversos
valores em uma escala discreta, conforme pode ser observado na Figura 2.13, na qual 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).
Figura 2.13 - Amostragem de um sinal analógico [26].
Amostragem é um processo utilizado para obtenção dos valores discretos de um sinal que
é originalmente contínuo, que tem amostras coletadas intervalos de tempo constantes ou não.
Conforme EPIFANIO (2015), teoricamente, um sinal amostrado tem uma associação com
16
infinitos sinais contínuos que dão origem a ele. Na Figura 2.14 é apresentado o resultado da
amostragem de três sinais que resultam na mesma representação discreta [10].
Figura 2.14 – Amostragem de 3 sinais que têm o mesmo resultados [31].
No material didático da disciplina Projetos com Microprocessadores da graduação em
engenharia elétrica na UFRJ, é apresentado que, para ser possível reconstruir o sinal original, é
necessário respeitar o teorema de Nyquist8 definido como: reconstrução é possível se a frequência
de amostragem 𝑓𝑠 é, no mínimo, o dobro da frequência mais alta 𝑓𝑚𝑎𝑥 contida no sinal original
[31].
2.2.5 Rotinas de Cálculos
A primeira etapa do serviço de medição da qualidade de energia é a amostragem das
grandezas de corrente e tensão pelo conversor A/D. Realizadas essas medidas, é necessário que
esses dados passem por rotinas de cálculos para que sejam gerados os indicadores da qualidade
da energia. Vale ressaltar que esses cálculos são realizados pelo microcontrolador aplicado ao
instrumento, como apresentado no diagrama de blocos da Figura 2.15.
8 Harry Nyquist (1889 – 1976, USA) - Engenheiro eletrônico que fez importantes contribuições para as áreas de
telecomunicações e processamento de sinais.
17
Figura 2.15: Rotina de cálculo desempenhada pelo instrumento.
Fonte: o autor.
2.2.5.1 Valor Médio
MOREIRA (2006), define o valor médio de uma função periódica qualquer 𝑓(𝑥), de
período T como:
𝐹𝑀 =1
𝑇 ∫ 𝑓(𝑡)𝑑𝑡
𝑇
0
Em que:
𝐹𝑀 = valor médio do sinal,
𝑇 = período da onda,
𝑓(𝑡) = sinal periódico em função do tempo
Pelo processo de amostragem de sinais, a integral pode ser substituída por um somatório
da seguinte forma:
𝐹𝑀 =1
𝑁∑ 𝑓𝑖
𝑁
𝑖=1
Em que:
𝐹𝑀 = valor médio aproximado do sinal,
𝑁 = número de amostras em um período,
𝑓𝑖 = valor da i-ésima amostra.
18
2.2.5.2 Valor Eficaz
Conforme SCHETTINO (2016), define-se como o valor eficaz ou RMS - Root Mean Square
de uma função periódica, qualquer 𝑣(𝑡) com um período 𝑇:
𝐹𝐸𝐹 = √1
𝑇∫ 𝑓(𝑡)2𝑑𝑡
𝑇
0
Em que:
𝐹𝐸𝐹 = valor eficaz do sinal.
Para um sistema discreto, a integral pode ser substituída por um somatório:
𝐹𝐸𝐹 = √1
𝑁∑ 𝑓𝑖
2
𝑁
𝑖=1
Em que:
𝐹𝐸𝐹= valor eficaz do sinal, também denominados true-RMS.
2.2.5.3 Série de Fourier9
Para o cálculo da Série de Fourier foi utilizado o algoritmo da Figura 2.16, com as
adaptações necessárias para ser executado pelo microcontrolador usado no instrumento.
9 Jean-Baptiste Joseph Fourier (1768 – 1830, França) - Matemático e físico francês, celebrado por iniciar a
investigação sobre a decomposição de funções periódicas em séries trigonométricas convergentes chamadas séries
de Fourier.
19
A aplicação do cálculo da série de Fourier é a rotina de cálculo mais importante do
instrumento desenvolvido. A partir do resultado obtido, foi possível calcular a DHT - Distorção
Harmônica Total e o FP - Fator de Potência do sinal medido.
2.2.5.4 Distorção Harmônica Total – DHT
Para a distorção harmônica total é preciso verificar a amplitude de cada harmônico gerado
em relação à fundamental do sinal de entrada. Este cálculo nada mais é do que uma média dos
níveis de tensão em relação à entrada definida por STEPHAN (2005) [35].
𝐷𝐻𝑇𝑖 =√∑ 𝐼𝑛
2∞𝑛=2
𝐼1
Resultado: Parcelas de cada harmônico que compõem um sinal discreto amostrado.
Variáveis:
N = número de harmônicos;
Namostras = número de amostras em um período;
Tamostras = tempo de amostragem;
Sinal[Namostras] = sinal amostrado;
w = frequência angular da componente fundamental do sinal amostrado;
z[N] = vetor com o modulo dos harmônicos resultantes;
Execução do algoritmo:
Para i = 0 até (N-1) faça:
a = 0; //parte real
b = 0; //parte imaginária
Para j = 0 até (Namostras – 1) faça:
Ângulo = N * w * i * Tamostras ;
a = a + sinal[j+1] * cos(ângulo) ;
b = b + sinal[j+1] * sen(ângulo) ;
Final do Para:
z[i] = 2 * (1/ Namostras) * √(a2 + b2) ;
z[0] = z[0]/2 ;
Final do Para
Figura 2.16 - Algoritmo para o obtenção da Série de Fourier [10].
20
Em que:
𝑖𝑛= é a enésima componente harmônica do sinal de corrente.
2.2.5.5 Fator de Potência - FP
O fator de potência pode ser calculado como foi descrito por STEPHAN [35].
𝐜𝐨𝐬(𝝓) = 𝐜𝐨𝐬(𝝓)𝟏 .𝟏
√𝟏 + 𝑫𝑯𝑻𝒊
No qual:
𝑐𝑜𝑠(𝜙)1 é o ângulo da diferença angular entre a tensão e corrente da componente
fundamental.
Essa série de cálculos resultam nos indicadores de qualidade de energia que em uma
próxima etapa foram enviados para um banco de dados para serem armazenados.
2.2.6 Transmissão de Dados para um Banco
Depois dos valores de corrente e tensão amostrados pelo conversor analógico digital,
armazenados na memória do microcontrolador e processados pelo microprocessador para a
obtenção dos indicadores de qualidade de energia, faz-se necessário enviar esses dados para um
banco, onde serão armazenados online.
A Figura 2.17 ilustra como é feita a transmissão dessas informações, as quais inicialmente
são enviados para um rádio transmissor através de uma comunicação serial usando o protocolo
RS-232. Por sua vez, o rádio transmissor reenvia esses dados, usando o padrão de rede IEEE
802.15.4, que são recebidos por um outro rádio receptor que vai retransmitir esses dados para um
dispositivo conectado com a internet que, finalmente, os despacha para um servidor. Depois de
salvos, tais dados podem ser processados por algoritmos de inteligência computacional e gerar
relatórios que serão úteis para análises apuradas da qualidade de energia.
21
Figura 2.17 - Esquema ilustrativo do processo de análise da qualidade de energia elétrica.
Fonte: o autor.
22
2.2.6.1 Comunicação Serial e o Protocolo RS-232
A comunicação serial é fundamentada no envio de um bit10 de cada vez, sequencialmente,
através de um canal de comunicação. A comunicação série é usada, principalmente para longo
alcance e na maioria das redes de computadores, onde o custo de cabos e as dificuldades de
sincronização tornam a comunicação paralela impraticável. Para curtas distâncias, esse
comunicação se torna cada vez mais comum devido ao fato de que as desvantagens dos
barramentos paralelos (densidade de interconexão) superam as suas vantagens e simplicidade
[38].
O protocolo de comunicação serial RS-232 é um padrão de dados binários entre um
terminal de dados e um comunicador de dados. É comumente utilizado nas portas seriais de
computadores e presente na maioria dos microcontroladores. Neste protocolo, os caracteres são
enviados um a um como um conjunto de bits. A codificação mais comumente usada é o start-
stop assíncrono que usa um bit de início, seguido por oito bits de dados, possivelmente um bit de
paridade, e um bit de finalização, sendo então necessários pelo menos 10 bits para enviar um
único caractere. Na Figura 2.18 é apresentado o envio de um byte (estrutura de dados com 8 bits)
pelo protocolo serial [37].
.
Figura 2.18 - Envio de um byte pelo protocolo serial [9].
10 Menor unidade de informação que pode ser armazenada ou transmitida podendo assumir somente 2 valores: 0
ou 1, corte ou passagem de energia, respectivamente.
23
Atualmente o protocolo de comunicação RS-232 vem sendo gradualmente suprimido pelo
USB para comunicação local. O protocolo USB é mais rápido, possui conectores, é mais simples
de usar e tem um melhor suporte por software. Mesmo assim, o protocolo RS-232 continua sendo
utilizado em periféricos para pontos de venda (p.ex. caixas registradoras, leitores de códigos de
barra ou fita magnética) e para a área industrial (dispositivos de controle remoto). Por essa razões,
computadores para estes fins continuam sendo produzidos com portas RS-232 [37].
2.2.6.2 Padrão de Rede IEEE 802.15.4
A norma IEEE 802.15.4 [16] define todas as especificações de comunicação da camada
física e da camada de acesso ao meio (MAC) para redes de comunicação sem fio que operam
com baixa taxa de transmissão de dados, abreviadas como LR-WPAN. Esse padrão define
normas para duas camadas de rede especificas.
A camada física
A camada física tem como objetivo a transmissão e recepção de dados do ambiente
externo (ondas de rádio) e prepará-los para enviar à camada MAC. Na camada física são
utilizadas técnicas de modulação de sinal para transmitir e receptar dados digitais. Nessa camada
são definidos: a seleção da frequência de rádio a ser utilizada; o endereço automático dos
dispositivos conectados na mesmas redes; e o controle dos circuitos do transceptor do rádio.
O padrão IEEE 802.15.4 pode operar em três bandas de frequências não licenciadas, ou
seja, livres. Essas são as seguintes, definidas por região de acordo com a Tabela 2.2.
Tabela 2.2 - Distribuição de Frequência para o padrão IEEE 802.15.4 [16].
Região Frequência Número de Canais
Europa 868 MHz 1
EUA/Américas 915 MHz 10
Outras regiões do mundo
incluindo o Brasil 2,4 GHz 16
A Camada MAC
A camada MAC tem por função controlar toda a operação de acesso à camada física para
transmissão e recepção de dados. Também é responsável por intermediar a camada física com as
superiores do protocolo LR-WPAN e gerar pacotes de controle que delimitam quadros utilizados
24
para sincronizar com os demais dispositivos. O controle de acesso ao meio é baseado no
mecanismo de prevenção e colisão, que atua quando um nó deseja fazer transmissão, enviando
um sinal de aviso por tempo suficiente para que todos os componentes da rede o recebam. Só
então os dados são transmitidos. Se durante uma transmissão um sinal de aviso for detectado, o
emissor interrompe o envio da mensagem, reiniciando a tentativa de transmissão após um período
aleatório [16].
2.2.6.3 Topologia de Rede
As topologias presentes dentro do IEEE 802.15.4 podem ser nas configurações estrela e
peer-to-peer. A topologia estrela possui um nó central que se conecta com todos os dispositivos.
Em alternativa, a configuração peer-to-peer permite que os dispositivos se comuniquem entre si,
respeitando a função de cada um dentro da rede. Ambas topologias estão representadas na Figura
2.19 [16].
Figura 2.19 - Topologias estrela e peer-to-peer [16].
2.2.6.4 Dispositivo Gateway
Nesse projeto, o dispositivo gateway pode ser definido como aquele que tem a principal
funcionalidade de receber os dados de Qualidade de Energia Elétrica (QEE) enviados por um ou
mais analisadores simultaneamente, e os enviar para um banco de dados online, como ilustrado
na Figura 2.20.
25
Figura 2.20 - Ilustração da funcionalidade do gateway.
Fonte: o autor.
O gateway recebe o dado de um analisador, retira a pilha de protocolos antiga e o
reencapsula com a pilha de protocolos da rede destino. Para desempenhar essa função, foi feita
uma aplicação para um ambiente Node.js11. Essa aplicação recebe os dados vindos do transceptor
via porta serial, os desempacota, filtra e reempacota em um protocolo que basicamente faz uma
requisição HTTP para um servidor.
Durante a construção da Seção 2.2, foi feita a revisão da literatura, buscando-se esclarecer
os principais conceitos que envolvem os mecanismos para o desenvolvimento do protótipo
visando a instrumentação, processamento e envio dos dados referentes a qualidade de energia.
Revisão de Alguns Medidores de Mercado
Após a compreensão sobre os principais fenômenos relacionados com a qualidade de
energia elétrica, foi realizada uma revisão com o intuito de entender o que o mercado de
11 Node.js é uma plataforma construída sobre a base de algoritmos e mecanismos da linguagem JavaScript do
Google Chrome para facilmente construir aplicações de rede rápidas e escaláveis. Node.js usa um modelo de I/O
direcionada a evento não bloqueante que o torna leve e eficiente, ideal para aplicações em tempo real com troca
intensa de dados através de dispositivos distribuídos.
26
instrumentação possui de moderno que serviu de parâmetro de comparação para o medidor
desenvolvido neste trabalho.
Tendo em vista o vasto número de modelos de aparelhos disponíveis no mercado, foi
necessário adotar alguns critérios para a seleção dos modelos a serem revisados que se adequam
com os objetivos propostos no Capítulo 1. Os critérios adotados para a escolha foram:
Preço - A precificação que o medidor avaliado tem é ser uma das características
fundamentais para a escalabilidade, ou seja, a aplicação em larga escala dessa tecnologia.
Número de fases - Existem muitos aparelhos que são trifásicos. Entretanto, esse é um
fator que os torna caro, tendo em vista que os consumidores residências e de pequenos
estabelecimentos comerciais, em grande parte, opera em um sistema monofásico. Logo,
é desejado que os modelos avaliados sejam monofásicos e, dessa forma, não
subutilizando as fases desnecessárias.
Interface simples - Para uma aceitação maior, é fundamental que exista uma interface
gráfica a mais amigável e eficiente possível.
Capacidade de armazenamento e transmissão de dados sem fio - Essa característica
é muito interessante, já que o analisador vai ser integrado a uma rede de dados que
armazenará os dados obtidos. É importante que esses dados sejam armazenados
internamente ao analisador, garantindo uma operação independente de uma conexão
contínua com um servidor online.
Dados gerados - Para que seja aceitável ao cenário em questão, o medidor deve gerar
dados que sejam aproveitados e aplicados à uma realidade domiciliar.
Após uma avaliação de alguns analisadores do mercado, foram escolhidos aparelhos que
se aplicam melhor aos critérios citados anteriormente.
2.3.1 Fluke 43B
O analisador de qualidade de energia Fluke 43B (Figura 2.21), apresenta características
que se aplicam na maioria dos critérios usados para a seleção dos analisadores. Esse instrumento
é preparado para fazer medidas de harmônicos, captura de afundamento de tensão e correntes de
partida. Ele tem aproximadamente 1,1 kg com dimensões 232 x 115 x 50 mm, informações
obtidas na folha de especificações do Fluke 43B [13].
27
Figura 2.21- Analisador de qualidade de energia Fluke 48B [13].
O Fluke 43B apresenta uma tela de cristal líquido monocromática para interface gráfica
acoplada, podendo ser conectado a computadores através da comunicação serial. Tem a
capacidade de gravar entre 4 minutos a 16 dias de medições elétricas. Na Tabela 2.3 estão
descritos alguns tipos de dados que podem ser gravados, enfatizando que, para cada linha dessa
tabela, é escolhido um dado, ou seja, na primeira linha, não é possível gravar tensão de linha,
corrente e frequência ao mesmo tempo.
Tabela 2.3 - Principais parâmetros que podem ser gravados com Fluke 43B [13].
Parâmetros Grandezas Medidas
V/ A/Hz Tensão, Corrente, Frequência
Potência Potências: Ativa, Aparente e Reativa, Fator de Potência,
Fator de Deslocamento
Harmônicos DHT, Fundamental e componentes harmônicas para:
Tensão, Corrente, Potência Ativa
Outros Resistividade, Diodos, Continuidade, Capacitância,
Temperatura (ºC e ºF)
Com uma impedância de entrada de 1 MΩ e 20 pF, afere medidas true-RMS de tensão,
corrente com uma precisão de 1% , e faixa de frequência de 10 Hz até 15 kHz com uma precisão
de 0,5%. A decomposição harmônica é feita em 3 faixas de operação, sendo que cada faixa
apresenta precisão diferente na medida. Esses valores podem ser acompanhados na Tabela 2.4.
28
Tabela 2.4 - Faixas de decomposição harmônicas feitas pelo Fluke 43B [13].
Faixa de
Decomposição Componente
Precisão para
Tensão e Corrente
Faixa 1 Fundamental 3%
Faixa 2 2ª - 31ª componente harmônica 5%
Faixa 3 32ª - 51ª componente harmônica 15%
O custo desse equipamento nas lojas virtuais da Amazon.com é de US$ 3.725,00, como
pode ser visto em [3].
2.3.2 Minipa ET-5051
Conforme a MINIPA (2016), o analisador de energia ET-5061 (Figura 2.22), é descrito
pelo fabricante como uma ferramenta de análise para diversos parâmetros de energia. Destinado
para ambientes industriais e residenciais, esse equipamento pode armazenar dados em uma
memória interna ou externa, além de ter a capacidade de analisar afundamento de tensão e
transitórios [22].
Figura 2.22 - Analisador de qualidade de energia Minipa ET-5061C [23].
29
O ET-5061C é trifásico, ou seja, faz a análise das três fases simultaneamente, o que é
considerado, do ponto de vista econômico, uma característica desfavorável já que o torna mais
caro e redundante. Faz a apresentação dos dados em uma tela definida como retro iluminada e
touch screen com um tamanho de 0.25 polegadas e uma resolução de VGA (320 x 240 pixels),
além de possibilitar a conexão ao computador via interface USB para visualização dos valores
gravados. A capacidade de armazenamento interno é de 15 MB, podendo gravar até 251
parâmetros por coleta de dados, com uma taxa de aquisição entre essas coletas que pode variar
de 1 segundo até 60 minutos. Para um tempo entre amostras de 15 minutos com 251 parâmetros,
podem ser gravados mais de 3 meses de dados. Todas essas informações se encontram acessíveis
na folha de especificações [22].
Na Tabela 2.5 são relacionados alguns parâmetros que podem ser gravados durante as
rotinas de análise feitas pelo medidor.
Tabela 2.5 - Parâmetros que podem ser gravados com Minipa ET-5061C [22].
Parâmetro Grandeza Medida
Tensão (V) Linha, Fase-Neutro, Fase-Terra, Fase-Fase, Pico de
Tensão, Frequência e Componentes Harmônicas.
Corrente (A) Fase, Partida, Frequência e Componentes
Harmônicas
Potencia (W, Var, VA) Ativa, Aparente, Reativa e Fator de Potência
Energia (Wh, Varh, VAh) Consumo de energia: Ativa, Aparente, Reativa
As medidas de tensão e corrente, em true-RMS, tem uma precisão de 0,5%. Atua numa
faixa de frequência entre 42,5 e 69,0 Hz com uma precisão de 0,2%. A análise harmônica pode
operar em 3 faixas de decomposição, vistas na Tabela 2.6, com uma precisão de 5% em uma
resolução de 0,1 V/0,1 A [22].
Tabela 2.6 - Faixas de decomposição harmônicas feitas pelo Minipa ET-5061C [22].
Faixa de Decomposição Componentes Calculadas
Faixa 1 DC - 25ª componente
Faixa 2 26ª - 33ª componente
Faixa 3 34ª - 49ª componente
30
As dimensões do Minipa ET-5061C são de 235 (A) x 165 (L) x 75 (P) mm e com um
peso de 1 kg. Em uma pesquisa feita no centro da cidade do Rio de Janeiro, ele foi precificado
pela loja Triduar por R$ 21.373,00.
2.3.3 EAMC PEL 102
Conforme AEMC INSTRUMENTS (2016), o EAMC PEL 102 (Figura 2.23), é definido
como um analisador de baixo custo, com uma fácil usabilidade, ideal para aplicação nas quais é
necessário o uso de um sistema de monitoramento que faça a aquisição, análise e gravação de
dados relacionados a qualidade e consumo de energia [2].
Figura 2.23 - Analisador de qualidade de energia AEMC PEL 102 [1].
Diferentemente da maioria dos instrumentos de medição, o modelo PEL 102 não
apresenta os dados em um display acoplado. As medidas podem ser acessadas em tempo real
através de um computador via USB ou conexão ethernet (local ou internet). A visualização
também pode ser feita em smartfones usando a conexão bluetooth em um aplicativo desenvolvido
pelo fabricante. Além da apresentação em tempo real, essas análises podem ser gravadas em um
cartão de memória e acessadas posteriormente em um computador [2].
Esse modelo pode operar instrumentando até três fases simultaneamente, gerando uma
análise das grandezas elétricas mensuradas. Na Tabela 2.7 estão apresentados alguns dos
parâmetros que podem ser coletados e gravados com uma frequência de 1 Hz.
31
Tabela 2.7 - Principais parâmetros que podem ser gravados com AEMC PEL 102 [2].
Tipo de Parâmetro Grandezas Medidas
Tensão (V) Linha, Fase-Neutro, Fase-Terra, Fase-Fase, Pico de
Tensão, Frequência e Componentes Harmônicas.
Corrente (A) Fase, Partida, Frequência e Componentes Harmônicas
Potencia (W, Var, VA) Ativa, Reativa, Aparente e Fator de Potência
Energia (Wh, Varh, VAh) Consumo de energia: Ativa, Reativa e Aparente
O PEL 102 tem uma taxa de aquisição, true-RMS, de tensão e corrente de 400 Hz, com
precisão de 0,2% e 1%, respectivamente. As medidas de frequência são feitas para uma faixa
entre 42,5 e 69 Hz, com a precisão é de 0,1%. O recurso de decomposição harmônicas individual
por fase instrumentada apresenta os valores de frequência e módulo para as 50 primeiras
componentes calculadas [2].
Esse analisador de energia pesa aproximadamente 1kg e tem dimensões de 256 x 125 x
37 mm. Conforme MEGADEPOT (2017), o preço desse instrumento é US$ 1.595,00 [20].
2.3.4 Comparação
Nas Seções anteriores, foram analisados três instrumentos que se compatibilizam
perfeitamente com as características técnicas procuradas no desenvolvimento de um medidor de
qualidade de energia. Como, por exemplo: todos fazem medidas true-RMS; têm capacidade de
armazenar dados por grande períodos de tempo e realizam medidas de distorção harmônica.
Essas funcionalidades e diferenças estão descritas na Tabela 2.8, na qual é possível comparar os
instrumentos revisados.
Tabela 2.8 - Tabela comparativa dos medidores revisados [13], [22] e [2].
Especificação Fluke 43B Minipa ET-5051 EAMC PEL 102
Número de fases
instrumentadas 1 fase 3 fases 3 fases
Capacidade de
armazenamento interno 16 dias 3 meses Somente externo
Telemetria Não Não Internet e
bluetooth
Conectividade com
computador Serial RS-232 USB Internet e USB
32
Especificação Fluke 43B Minipa ET-5051 EAMC PEL 102
Peso (kg) 1,1 1 1
Dimensões em mm
(A x L x P) 232 x 115 x 50 235 x 165 x 75 256 x 125 x 37
Display Cristal líquido
monocromática
Retro-iluminado e
touch screen de 0.25”,
VGA (320 x 240 px)
Não
Preço US$ 3.725,00 R$ 21.373,00 US$ 1.595,00
Em termos de aquisição de dados, grandezas avaliadas, análises geradas (análise
harmônica, fator de potência, histórico de picos de tensão, entre outras), dimensão física, peso,
velocidade de amostragem, comunicação com computadores, todos os aparelhos avaliados
apresentaram um perfil muito semelhante. No entanto, é possível destacar algumas
particularidades apresentadas.
O Fluke 43B apresenta poucas vantagens quando comparado com os outros, sendo a
leitura de apenas 1 fase. Porém, esse aparelho é o menos tecnologicamente avançado, não dando
suporte para armazenamento externo, acompanhado de uma baixa capacidade de memória
interna, além de ter um preço dobrado quando comparado com o PEL 102.
O Minipa ET-5051 é um aparelho moderno com uma capacidade de armazenamento seis
vezes maior do que o Fluke 43B, juntamente com uma conectividade USB ao computador, já
tendo um interface acoplada colorida e sensível ao toque. Apesar de ser um aparelho nacional,
apresenta custo elevado e não tem nenhum tipo de conexão sem fio.
Finalmente, analisando o PEL 102, conclui-se que esse instrumento tem um ótimo custo-
benefício. Mesmo tendo suporte para instrumentar três fases, ele apresenta um preço bem
competitivo e, tal redução, vem da ausência de um display acoplado e da capacidade de
armazenamento interno. A característica que mais se destaca no PEL 102 é a capacidade da
transmissão de dados sem fio, o que é considerada um diferencial quando se trada de medidores
que são ditos inteligentes.
33
3. METODOLOGIA
Neste Capítulo são tratados os aspectos metodológicos utilizados para a elaboração deste
trabalho, mostrando as etapas de pesquisa realizadas.
Delineamento da Pesquisa
Este estudo visa apresentar a proposta de um medidor da qualidade de energia que tenha
a capacidade de comunicação através de um rede sem fio com baixo custo de produção. Antes
de se realizar qualquer análise relativa aos conhecimento referente a instrumentação e
transmissão de dados, há a necessidade de uma introdução ao assunto. Desta forma, foi realizada,
em um primeiro momento, uma revisão bibliográfica onde foram tratados os seguintes assuntos:
Qualidade de Energia
Instrumentação Eletrônica
Revisão de Alguns Medidores de Mercado
Definição de Pesquisa
Antes de dar continuidade, é importante definir o que se entende por pesquisa. De forma
geral, os dicionários definem pesquisa como ação de busca, indagação e investigação minuciosa
para averiguação da realidade, com o fim de estabelecer fatos ou princípios relativos a um campo
qualquer do conhecimento. Além disso, conforme GOOGLE Brasil. (2017), a definição do
verbete pesquisa ainda é dada como “o conjunto de atividades que têm por finalidade a descoberta
de novos conhecimentos” [15].
A pesquisa pode buscar o conhecimento pelo próprio desejo de investigar determinada
área por motivação de ordem intelectual, ou ainda a aspiração de descobrir uma aplicação prática
para a solução de um problema.
34
Classificação e Tipos de Pesquisas
Existem diversas sistemáticas dos tipos de pesquisas e muitas são as formas de classifica-
las. Dentre estas, destacam-se algumas clássicas, focando somente os pontos relacionados com o
objetivo de posicionamento metodológico deste estudo.
De acordo com SILVA e MENEZES (2005) [34] quanto à natureza, as pesquisas podem
ser classificadas em básicas e aplicadas; quanto à forma de abordagem, em quantitativa e
qualitativa; quanto aos seus objetivos, em exploratória, descritiva e explicativa e quanto aos
procedimentos técnicos, em bibliográfica, documental, experimental, levantamento, estudo de
caso, ex post facto, pesquisa ação e participante. Conforme [34], a pesquisa objetiva é aquela
que gera conhecimentos novos, úteis para o avanço da ciência sem aplicação prática prevista.
Envolve verdades e interesses universais; e a aplicada é a que tem como objetivo gerar
conhecimentos dirigidos à aplicação prática e solução de problemas específicos, envolvendo
verdades e interesses locais.
Por outro lado, segundo GIL (1999), do ponto de vista dos seus objetivos a pesquisa pode
ser [14]:
Exploratória: visa proporcionar maior familiaridade com o problema com vistas a torná-
lo explícito. Envolve levantamento bibliográfico. Assume, em geral, as formas de
Pesquisas Bibliográficas e Estudos de Caso.
Descritiva: visa descrever as características de determinada população ou fenômeno.
Assume, em geral, a forma de Levantamento.
Explicativa: visa identificar os fatores que determinam ou contribuem para a ocorrência
dos fenômenos. Aprofunda o conhecimento da realidade porque explica a razão, ‘o
porquê’ das coisas. Quando realizada nas ciências sociais requer o uso do método
observacional. Assume, em geral, as formas de pesquisa Experimental e Ex post facto.
Sob o ponto de vista da forma de abordagem dos problemas, a pesquisa pode ser [34].
Quantitativa: significa traduzir em números, opiniões e informações para classificá-las
e analisá-las. Requer o uso de recursos e de técnicas estatísticas.
Qualitativa: há uma relação dinâmica entre o mundo real e o sujeito não traduzido em
números, o ambiente natural é a fonte direta para coleta de dados e o pesquisador é o
instrumento-chave. A interpretação dos fenômenos e a atribuição de significados são
35
básicas no processo de pesquisa qualitativa. É descritiva e não requer métodos e técnicas
estatísticas.
Segundo [14], do ponto de vista dos procedimentos teóricos, uma pesquisa pode ser:
Bibliográfica: quando elaborada a partir de material já publicado, constituído
principalmente de livros, artigos de periódicos e, atualmente, com material
disponibilizado na internet.
Documental: quando elaborada a partir de materiais que não receberam tratamento
analítico.
Experimental: quando se determina um objeto de estudo, selecionam-se as variáveis de
influência, definem-se as formas de controle e de observação dos efeitos que a variável
produz no objeto.
Levantamento: quando a pesquisa envolve a interrogação direta das pessoas cujo
comportamento se deseja conhecer.
Estudo de Caso: quando envolve o estudo profundo e exaustivo de um ou poucos objetos
de maneira que se permita o seu amplo e detalhado conhecimento.
Ex Post Facto: quando o experimento se realiza depois dos fatos.
Ação: realizada em estreita associação com a resolução de um problema coletivo. Os
pesquisadores e participantes representativos da situação ou de problemas estão
envolvidos de modo cooperativo ou participativo.
Participante: quando se desenvolve a partir da interação entre pesquisadores e membros
das situações investigadas.
Por sua vez, VERGARA (2003), apresenta dois critérios básicos para definir e classificar
as pesquisas: quanto aos fins e quanto aos meios. Segundo a autora, sob esses aspectos os
diversos tipos de pesquisa não são mutuamente excludentes, podendo ser, ao mesmo tempo, de
tipos e finalidades diversas [36].
Quanto à sua finalidade, uma pesquisa pode ser:
Exploratória: aquela que possui uma natureza de sondagem em uma área com pouco
conhecimento acumulado.
Descritiva: a pesquisa que expõe características de determinada população ou fenômeno,
não possuindo compromisso de explicar os fenômenos que descreve.
36
Explicativa: tem como objetivo principal tornar um fato ou fenômeno compreensível,
justificando os motivos e esclarecendo quais fatores contribuem para a sua ocorrência.
Metodológica: é aquele que se refere aos instrumentos de captação ou de manipulação
da realidade e está, portanto, associada a caminhos, formas e maneiras para se atingir um
determinado fim.
Aplicada: a que é motivada pela necessidade de resolver problemas concretos e
existentes no ambiente da pesquisa. A pesquisa aplicada tem, portanto, finalidades
práticas, diferentes da pesquisa pura, a qual é basicamente motivada pela curiosidade e
desejo de pesquisar.
Intervencionista: tem como principal objetivo interpor e interferir na realidade estudada,
de forma a modificá-la.
No caso do presente estudo, e com base na taxionomia apresentada por [14] e [36], quanto
à sua finalidade esta pesquisa é classificada como aplicada. Também pode ser considerada como
experimental, pois visa o entendimento do dos efeitos conseguintes da aplicação de
componentes de baixo custo na análise da qualidade de energia tendo como controle um medidor
de mercado.
Quanto aos meios de investigação, a pesquisa pode ser:
de Campo: pesquisa de investigação empírica, realizada no local onde ocorreu um
fenômeno ou que dispõe de elementos para explicá-lo.
de Laboratório: é aquela realizada em local circunscrito, normalmente envolvendo
simulações.
Documental: aquela na qual a investigação é realizada com base no conteúdo dos
documentos.
Bibliográfica: é o estudo sistematizado desenvolvido mais fortemente com base nos
matérias publicados por outros pesquisadores.
Experimental: investigação empírica na qual o pesquisador manipula e controla as
variáveis independentes e observa as mudanças nas variáveis dependentes.
Ex post facto: pesquisa referente a um fato já ocorrido, o qual o pesquisador não pode
controlar ou manipular as variáveis.
37
Participante: pesquisa que não se esgota na figura do pesquisador e da qual tomam parte
pessoas implicadas no problema.
Pesquisa ação: é um tipo específico de pesquisa participante que supõe intervenção
participativa na realidade social.
Estudo de caso: é o circunscrito a uma ou poucas unidades, com caráter de profundidade
e detalhamento.
Quanto aos meios de investigação, classifica-se a pesquisa desse TCC como
bibliográfica e experimental.
Conforme [36], a pesquisa bibliográfica é desenvolvida com base em material acessível
ao público em geral, isto é, publicado em livros, revistas, relatórios técnicos e mídia eletrônica.
Resumindo, pode-se afirmar que este estudo foi desenvolvido por meio de pesquisa
aplicada e experimental, com metodologia investigativa de caráter bibliográfico e
experimental, com estudo de procedimentos técnicos da literatura pertinente.
Este Capítulo abordou os aspectos metodológicos utilizados no trabalho, classificando a
pesquisa quanto aos objetivos, fins e aos meios de investigação.
38
4. DESENVOLVIMENTO
Nos Capítulos anteriores foram ressaltados alguns aspectos sobre a metodologia de
pesquisa adotada para este trabalho, além de ser realizada a revisão bibliográfica acerca dos
principais aspectos de qualidade de energia elétrica, juntamente com os conceitos de
instrumentação digital e uma breve análise do mercado de instrumentos.
Neste Capítulo está apresentado o desenvolvimento do protótipo proposto, passando por
todas as etapas da criação, desde a aquisição dos dados, o processamento e a transmissão para o
banco.
A validação dos dados gerados pelo medidor foi feita por meio da comparação dos
resultados obtidos em um analisador de qualidade de energia comercial. Por fim, foi realizado
um ensaio de campo de longa duração, para que seja avaliada a usabilidade do medidor proposto
quanto à capacidade de transmissão de dados para o banco.
Aspectos Gerais do Protótipo
O protótipo apresentado, visto na Figura 4.1, foi desenvolvido para fazer medições e
calcular alguns indicadores da qualidade da energia de um circuito analisado. Ele não conta com
nenhum tipo de interface gráfica. No entanto, os dados podem ser acessados em tempo real
através de um computador ou smartphone com acesso à internet. A fonte de energia pode ser um
adaptador externo ou uma bateria de 9 V. Para melhorar sua usabilidade, ele conta um diodo
emissor de luz (LED) que indica os principais status em que o instrumento se encontra, podendo
ser de cor vermelha para o processo de coleta, verde para o processamento e azul para a
transmissão, além de possuir um botão para ligar e desligar, juntamente com um outro LED de
cor verde que mostra essa condição.
39
Figura 4.1 - Protótipo do medidor desenvolvido.
Fonte: acervo do autor.
Essas medidas são feitas apenas em circuitos monofásicos, através dos transdutores de tensão
e corrente que podem ser observados na Tabela 4.1, que apresenta quais dados são possíveis de
serem mensurados. A faixa de corrente lida, para ser feita uma leitura confiável, é de 5 até 60 A,
para o caso em que se use o TC somente com 1 espira.
Tabela 4.1 - Indicadores que são medidos pelo protótipo.
Parâmetro Indicadores Medidos
V / A / Hz Valor eficaz de Tensão e Corrente, Frequência
Potência Ativa, Aparente e Reativa, Fator de Potência (FP)
Harmônicos DHT de Corrente
Valores estatísticos12 Média e desvio padrão do FP e DHT
Fonte: o autor
12 São valores estatísticos para uma janela de 20 amostras, ou seja, a cada leitura o medidor faz esses cálculos para
os 20 últimos dados coletados.
40
Os dados mensurados são enviados através de rádios transmissores para um dispositivo que
é definido como o Coordenador (Figura 4.2), que é o gateway dessa rede de instrumentos
formada, que os envia para o banco de dados.
Figura 4.2 - Coordenando da rede de instrumentos.
Fonte: acervo do autor.
Desenvolvimento do Protótipo Apresentado
Nesta Seção, estão apresentadas as etapas de desenvolvimento do protótipo medidor. Para
facilitar o entendimento, o diagrama de blocos da Figura 4.3 demonstra resumidamente como foi
feita a divisão dessas etapas, com base no funcionamento do medidor.
41
Figura 4.3 - Etapas de desenvolvimento do medidor.
Fonte: o autor.
A primeira etapa é a de pré-processamento, na qual o sinal é amostrado e condicionado
para níveis que possam ser lidos e processados na etapa de processamento. Nesta etapa, o sinal
é convertido em dados de qualidade de energia e transmitidos para o banco na etapa de
transmissão.
4.2.1 Pré-processamento
Esta etapa é o início do processo de medição da qualidade de energia. Ela começa com a
aquisição das grandezas elétricas do circuito analisado e finaliza quando esses sinais são
condicionados por circuitos que os preparam para a digitalização, pelo circuito analógico digital,
que será vista na etapa de processamento. A Figura 4.4 apresenta esquematicamente o processo
dessa etapa.
42
Figura 4.4 - Diagrama de blocos da etapa de pré-processamento.
Fonte: o autor.
4.2.1.1 Transdutor de Tensão
Foram vistos, na Seção 2.2.2, alguns transdutores de tensão que poderiam ser usados. Por
motivos de acessibilidade e custo, não foi possível usar o transdutor de corrente que seria ideal,
já que ele apresenta uma ótima linearidade e uma grande faixa de medição, juntamente com uma
isolação galvânica13. Por motivos de segurança, foi descartado o divisor resistivo, visto na Seção
2.2.2. Apesar de ter uma boa linearidade, esse método não conta com isolamento e, dessa forma,
apresenta riscos para os circuitos de baixa potência.
Foi utilizado um transformador de potencial, pois ele apresenta uma linearidade
compatível com a proposta de um protótipo, além de ser bem acessível e apresentar um custo
baixo. O modelo escolhido foi da marca Hayama (Figura 4.5), que é descrito pelo fabricante
como 3/500 e apresenta uma relação de 127-220/3 V com uma potência de 3 VA. Para o
instrumento, foi escolhida a relação de 127/3 V. Dessa forma, quando conectado à rede, a saída
é de 3 V de valor eficaz.
13 Princípio de isolação de seções funcionais de sistemas elétricos para evitar o fluxo de corrente, não existindo
caminhos de condução metálicos, assim prevenindo que correntes indesejadas fluam entre duas seções que
compartilham um mesmo terra.
43
Figura 4.5 - Transformador usado como transdutor de tensão.
Fonte: acervo do autor.
4.2.1.2 Transdutor de Corrente
A escolha do transdutor de corrente foi feita seguindo os mesmos critérios do de tensão.
Na Seção 2.2.1 foram vistos alguns tipos de sensores de corrente. O de efeito Hall e a bobina de
Rogowski contam com uma boa precisão e linearidade. Porém, essas duas opções são de custo
elevado. O método do resistor shunt tem a melhor precisão, no entanto, não apresenta o
desacoplamento necessário para garantir a segurança do instrumento, além de exigir que o
circuito seja invadido para sua aplicação.
Foi escolhido o transformador de corrente indutivo da marca YHDC do modelo SCT013-
020 - Figura 4.6 [39]. Esse componente tem uma precisão de 3% com uma capacidade máxima
de medição de 100 A.
44
Figura 4.6 - Transformador de corrente usado no protótipo [39].
O modelo escolhido é definido pelo fabricante como voltage output, ou seja, ele apresenta
nos terminais do secundário uma tensão que corresponde ao valor de corrente passante no
primário. O circuito interno do componente pode ser visto na Figura 4.7. A relação de tensão na
saída com a corrente medida é de 50 mV / 1 A. Caso seja exigida uma relação de tensão por
corrente maior, é possível espiralar o condutor do primário e, dessa forma, ajustar a relação de
transformação, como é mostrado na Figura 4.7.
Figura 4.7 - Circuito do TC do tipo saída de tensão.
Fonte: adaptado de [39].
45
4.2.1.3 Circuito de Condicionamento
Para que os sinais gerados nos transdutores sejam lidos e convertidos pelo conversor
analógico digital, é necessário que eles atendam a condição básica de não poderem ser menor
que 4,88 mV ou maior que 5 V, respeitando a banda de leitura.
Condicionamento do Sinal de Tensão
O sinal de saída do TP não atende as condições de leitura, pois é uma senoide que tem
um valor máximo de 2,12 V e mínimo de -2,12 V para uma tensão de 127 V na entrada. Dessa
forma, só é possível ler uma meia onda, o que não é satisfatório para o instrumento. Para
solucionar esse problema, foi necessário desenvolver um circuito que adicione uma componente
de corrente continua (CC) de pelo menos 2,12 V no sinal vindo do TP. A Figura 4.8 mostra um
gráfico ilustra a modificação no sinal para permitir a leitura.
Figura 4.8 – Comparação entre o sinal de saída do TP
e o sinal com a adição da componente CC.
Fonte: acervo do autor.
Com a adição da componente CC, foi possível fazer a conversão, uma vez que a parcela
negativa foi eliminada. No entanto, para uma otimização de projeto, seria interessante que essa
parcela contínua fosse maior, possibilitando a leitura de eventuais casos de sobretensão da rede.
Dessa forma, foi determinado que, para uma tensão de 127 V no primário do TP, o sinal de saída
46
do condicionador apresentaria no mínimo 0,7 V e um máximo de 3,7 V. Assim, tendo um valor
de pico a pico igual a Vpp = 3 V, para chegar nesse resultado, além da componente CC adicional,
foi necessário um circuito para atenuar o sinal da saída do transformador. Na Figura 4.9 é
mostrado o sinal totalmente condicionado de acordo com as definições do projeto.
Figura 4.9 – Comparação entre o sinal de saída do TP e o sinal
com um condicionamento otimizado.
Fonte: acervo do autor.
Com todas as definições de como o sinal deve ser condicionado para uma leitura
otimizada, foi desenvolvido um circuito simples, apresentado na Figura 4.10. O circuito conta
com um divisor de tensão para atenuar o sinal do TP, constituído pelo potenciômetro RV1 e o
resistor R2. Esse divisor é regulável, podendo receber ajuste se necessário, através do RV1. Para
a adição da componente CC, foi usado um circuito denominado de circuito grampeador14 que
tem como constituintes um capacitor, um diodo e uma fonte de tensão. Note-se que o segundo
divisor resistivo, constituído por R3 e R4, é para a regulação correta do nível CC.
14 Um circuito grampeador corrige as excursões de pico positivas ou negativas de um sinal para um valor definido
ao mudar seu valor CC. O grampeador não restringe a excursão de pico a pico do sinal. Move todo o sinal para
cima ou para baixo de modo a colocar os picos no nível de referência. O circuito consiste em um diodo, que
conduz a corrente elétrica em uma única direção e evita que o sinal exceda o valor de referência; e um capacitor
que fornece um deslocamento CC da carga armazenada.
47
Figura 4.10- Circuito condicionador de sinal de tensão.
Fonte: o autor.
Condicionamento do Sinal de Corrente
Para fazer o condicionamento do sinal de corrente gerado pelo TC, foi usado o mesmo
circuito proposto para o TP. Nesse caso não foi necessário usar um divisor resistivo para atenuar
o sinal de tensão correspondente ao valor de corrente. A Figura 4.11 apresenta o circuito do
condicionador de sinal do TC.
Figura 4.11 - Circuito condicionador de sinal de corrente.
Fonte: o autor.
Novamente foi utilizado o circuito grampeador para adicionar uma componente CC ao
sinal, obtendo uma resultante dentro das especificações de projeto. Vale ressaltar que, uma outra
forma de condicionar o sinal é aumentar o número de espiras em torno do TC escolhido, sendo
que a cada espira adicionada, a relação de corrente por tensão deve ser dividida por 2. Por
48
exemplo, com 2 espirar a relação se torna 1 V / 10 A; com 4, a relação muda para 1 V / 5 A,
respeitando a relação da seguinte equação.
Relação de tranformação = 1 V
20 A x (número de espiras)
É fundamental ter em mente que, ao mudar a relação de transformação, pode-se agregar
erros na transdução de corrente, funestamente com uma adição de ruído.
Resultados do Condicionamento de Sinal.
Para tornar a montagem mais prática, os dois circuitos foram montados em uma mesma
placa universal, podendo compartilhar a mesma tensão do divisor resistivo no grampeador. Na
Figura 4.12 é apresentado o esquema eletrônico já unificado com os ambos condicionadores
necessários.
Figura 4.12 - Circuito que contém os condicionadores de tensão e corrente juntos.
Fonte: o autor.
O circuito que foi utilizado no protótipo é observado na Figura 4.13 e os resultados
obtidos com um osciloscópio podem ser visualizados nas Figuras 4.14 e 4.15.
49
Figura 4.13 - Circuito já montando que é usado no protótipo desenvolvido.
Fonte: acervo do autor.
Figura 4.14 – Sinais de tensão de entrada (azul) e de saída (laranja) do circuito condicionador.
Fonte: acervo do autor.
50
Figura 4.15 – Sinais de corrente de entrada (azul) e de saída (laranja) do circuito condicionador.
Fonte: acervo do autor.
Os sinais de tensão e corrente agora estão de acordo com as condições de leitura
apropriadas para conversor A/D e dentro das especificações de otimização do projeto. Finalizadas
as etapas de transdução e condicionamento do sinal, iniciou-se a de processamento dos dados
amostrados, que descrita na Seção 4.2.2.
4.2.2 Processamento
O processamento é a etapa que caracteriza a principal funcionalidade do protótipo
desenvolvido. É nesta fase que são calculados os indicadores relacionados à qualidade da energia
pelo microcontrolador ATmega1280, de acordo com ATMEL CORPORATION (2014) [4].
A Figura 4.16 ilustra o que foi feito durante o processamento dos dados. Primeiramente
o sinal condicionado foi digitalizado pelo conversor analógico digital. Esses dados, armazenados
na memória do microcontrolador, foram processados pelas rotinas de cálculo, descritas na Seção
2.2.5. Foram gerados os indicadores que, ainda nesta etapa, sofreram padronização por um
protocolo, sendo posteriormente enviados para o rádio por uma comunicação serial RS-232.
51
Figura 4.16 - Diagrama a de blocos da etapa de processamento.
Fonte: o autor.
O processamento foi feito completamente pelo microcontrolador escolhido para o projeto,
que conta com todos os circuitos que são necessários. Por isso, neste trabalho, não foram
abordadas, profundamente, todas as características do microcontrolador escolhido.
4.2.2.1 ATmega1280
Para o desenvolvimento do protótipo, foi cogitado o uso de alguns modelos de
microcontroladores. No entanto, o escolhido foi o ATmega1280 (Figura 4.17), fabricado pela
Atmel Corporation 15, por apresentar o melhor custo-benefício, requisitos básicos para o
processamento dos dados, além de ser facilmente programável na linguagem de programação em
15 Atmel Corporation [4] é uma manufaturadora de semicondutores, fundada em 1984. Sua produção inclui
memórias, microcontroladores (incluindo o 8051, a arquitetura ARM e sua arquitetura própria, a Atmel
AVR), FPGAs, chips para smartcard, RFID, interfaces RF, CIs para automóveis e outros componentes eletrônicos.
52
C++. Na Tabela 4.2, pode-se observar as principais características desse modelo, incluindo suas
especificações de memória, velocidade entre outras informações sobre esse CI.
Figura 4.17 - Microcontrolador ATmega1280 [4].
Tabela 4.2 - Principais características do ATmega1280 [4].
Característica Valor
Memória flash 128 kBytes
Memoria SRAM 8 kBytes
Frequência Máxima de Operação 16 MHz
Tipo de CPU 8-bit AVR
Número de pinos 100
Quantidade de Conversores A/D 16
Definição do Conversor A/D 10 bits
Tensão de operação 1,8 – 5,5 V
4.2.2.2 Conversor A/D do Atmega1280
No projeto, foi analisado até o decimo harmônico do sinal de corrente amostrado,
apresentando uma frequência de 660 Hz (11 ∗ 60 Hz). Pelos teoremas da amostragem,
discutidos na Seção 2.2.4, foi necessária uma frequência de amostragem de, no mínimo, o dobro
de 660 Hz, ou seja,1.220 Hz. O microcontrolador usado tem uma velocidade de 16 MHz, com
53
uma frequência de prescale16 de 128 para uma definição 10 bits de leitura. Tendo em vista que,
na linguagem usada, são necessárias 13 instruções para que seja feita a amostragem e conversão,
sendo possível calcular a frequência de aquisição do sistema de 9.615 Hz (16 MHz / 128 ∗ 13).
De acordo com EPIFANIO (2015), sendo um valor teórico, na prática é possível obter uma
frequência de 8.880 Hz, que é mais de quatro vezes o valor necessário pelo critério de Nyquist,
visto na Secão 2.2.4. Caso se estivesse interessado em calcular mais harmônicos ou analisar sinais
com frequência maior, seria recomendado diminuir o prescale, porém com o custo de perder
resolução de leitura, ou então utilizar um microprocessador mais apropriado.
Em cada coleta de dados que foi feita, são amostrados 400 pontos de tensão e corrente
com frequência de amostragem de 8.880 Hz. A Figura 4.18 apresenta um exemplo de uma coleta
de corrente consumida por um ferro de passar roupas e uma televisão, feita pelo A/D do
ATmega1280.
Figura 4.18 - Exemplo de uma coleta de 700 pontos realizada pelo conversor A/D.
Fonte: acervo do autor.
16 Divisor de frequência para os periféricos internos do microcontrolador
54
4.2.2.3 Rotina de Cálculos
Na Seção 2.2.5 foram vistos os métodos usados para a elaboração da rotina de cálculo,
juntamente com um diagrama (Figura 2.14), que ilustra as etapas dessa rotina. Para verificação
dos algoritmos usados no microcontrolador, com a finalidade de avaliar sua precisão, foi usado
o programa computacional Matlab17, no qual foram feitos os mesmos cálculos da rotina, usando
funções próprias das bibliotecas nativas desse programa. Os resultados foram comparados com
aqueles calculados pelo microcontrolador.
Dados de Entrada
Os dados de entrada para a comparação foram os 1.500 pontos coletados de corrente pelo
conversor A/D. A carga usada para a geração desses pontos foi uma não linear, gerando, dessa
forma, um sinal de corrente diferente de uma senoide. Na Figura 4.19 são vistos os pontos que
passaram pela rotina de cálculos.
17 Software interativo de alta performance voltado para o cálculo numérico.
55
Figura 4.19 - Sequência de pontos amostrados para a validação dos algoritmos de cálculos.
Fonte: acervo do autor.
Resultados da Comparação das Rotinas de Cálculo
Depois de executados os cálculos, tanto no Matlab quanto no microcontrolador, foram
obtidos os resultados apresentados na Tabela 4.3, na qual é mostrado o erro comparativo entres
os valores obtidos pelo microcontrolador e pelo software, que foi a referência.
Tabela 4.3 - Comparação entre os resultados gerados pelo Matlab e os
algoritmos implementados no ATmega1280.
Dado Calculado Matlab ATmega1280 Erro Comparativo (%)
Valor Médio 180,43 180,43 0,0
Valor Eficaz 181,21 181,39 0,0
DHT (%) 0,22 0,26 18
Fonte: o autor
56
A diferença de 18% de erro é compatível com o fato de o Matlab usar todas as
componentes harmônicas para a execução do cálculo, garantindo um indicativo bem diferente do
que foi calculado pelo processador. EPIFANIO [10], que usou o mesmo algoritmo para calcular
a série de Fourier, obteve resultados com 5% de erro relativo.
Com os indicadores de qualidade de energia calculados pelo microcontrolador, foi
necessário enviar esses dados para o gateway da rede. A última tarefa feita pelo ATmega1280,
durante o funcionamento do medidor, foi o encapsulamento desses dados para um padrão que
possa ser entendido pelos rádios transceptores usados na formação dessa rede sem fio.
Formatação dos Dados
Para que esses dados fossem enviados corretamente para o banco quando estivessem na
próxima etapa - a de transmissão, foi fundamental um condicionamento do seu formato. Tal
formato não pode conter somente um valor que foi calculado nas rotinas anteriores. Essas
informações precisam ser identificadas corretamente para que o servidor saiba onde alocar. Na
Tabela 4.4 é apresentado um exemplo dessa padronização, usando um dado hipotético de valor
eficaz de tensão de 127 V. Convém observar que, além do resultado, existem outras duas
informações sobre os dados a serem enviados.
Tabela 4.4 - Formatação correta dos dados para o correto envio ao banco de dados.
ID do Medidor ID do Dado Dado
É um modo em que o
medidor será identificador
pelo banco.
É o tipo do dado que enviado,
e alocado no banco.
É de fato o dado
que já foi calculado
MED0003 V_RMS 127
Fonte: o autor
Dessa forma, quando fosse enviado para o servidor, seria alocado em uma tabela juntamente
com os dados do medidor denominado como MED0003, com o rótulo V_RMS tendo um valor
de 127 V.
4.2.2.4 Rádio Transceptor XBee
Para que se possa entender melhor a padronização dos dados para o envio, é necessário
que sejam vistas um pouco das características do hardware de transmissão e recepção dos dados.
A tecnologia de rádios XBee (Figura 4.20) conta com diversos modelos que podem ser usados
para a transmissão de dados, sendo selecionada para este projeto devido aos critérios de custo e
57
alcance de transmissão. Foi escolhido o modelo de 1 mW de potência, com um alcance de
aproximadamente 30 metros em um ambiente fechado e urbano. Na Tabela 4.5 estão
apresentadas algumas características de hardware do XBee usado no protótipo.
Figura 4.20 – Fotografia dos rádios usados no projeto.
Fonte: acervo do autor.
Tabela 4.5 - Principais características do XBee usado.
Característica Valor
Tensão de alimentação 3,3 V
Velocidade máxima de transmissão 250 kbps
Potência de transmissão 1 mW
Alcance (ambiente urbano) 30 metros
Fonte: DIGI INTERNATIONAL (2009) [6].
Outra característica positiva na escolha desse tipo de rádio foi sua facilidade de
montagem. Como pode ser visto na Figura 4.21, a montagem desse hardware é fácil, pois
consiste em um simples encaixe em um soquete, que é anexado na plataforma do
microcontrolador, sendo de fácil substituição.
58
Figura 4.21 - Exemplificação da montagem do rádio XBee e uma plataforma adaptável para
microcontroladores [6].
4.2.2.5 Padronização dos Dados para o Envio
A padronização dos dados foi feita por uma API18, implementada através de uma
biblioteca que é carregada no ATmega1280, que possui uma série de funções próprias para o
envio, recebimento e controle de dados. Para o controle da rede, formada pelo conjunto de XBee,
existem 48 tipos pacotes de comunicação que compõem a API. A maioria deles é de uso interno
de rede, ou seja, não é necessário o desenvolvedor os conhecer a fundo para usar as
funcionalidades dos XBee. Conforme FALUDI (2010), na Tabela 4.6, estão apresentados alguns
parâmetros de um pacote especifico definido como ZigBee Transmit Request, usado quando se
quer enviar um dado pela rede [12]. Ele é recebido pelo rádio de destino como o tipo ZigBee
Receive Packet, que tem sua estrutura apresentada na Tabela 4.7.
O cabeçalho presente nesse tipo de mensagem apresenta muitas informações que são
necessárias para que o protocolo estabelecido funcione e que todos os equipamentos possam se
comunicar. Por exemplo, existem informações sobre a origem do dado, o tamanho total do
pacote, o destino final e um checksum19 para a validação dessas informações quando chegam no
final de sua rota.
18 Conjunto de rotinas e padrões de programação para acesso a um aplicativo de software ou plataforma. 19 Checksum ou soma de verificação é um código usado para verificar a integridade de dados transmitidos através
de um canal com ruídos ou armazenados em algum meio por algum tempo.
59
Tabela 4.6 - Campos de um pacote ZigBee Transmit Request [12].
Byte
de
inicio
Tamanho
do
pacote
Tipo
de
pacote
Endereço
de
destino
Número
de
saltos
Configuração
de envio20
Dados
enviados Checksum
Tabela 4.7 - Campos de um pacote ZigBee Receive Packet [12].
Byte
de
inicio
Tamanho
do
pacote
Tipo
de
pacote
Endereço
de
destino
Número
de
saltos
Configuração
de envio
Dados
Recebidos Checksum
Esses são os pacotes que são montados e enviados logo depois do processamento pelo
medidos e recebidos e desmontados pelo gateway. É notável que as estruturas dos dois pacotes
são idênticas.
Durante a etapa de processamento, esses dados foram recebidos, já condicionados pela
etapa anterior, processados e preparados de acordo com o protocolo implementado na biblioteca
usada pelo ATmega1280 para o controle do fluxo de dados pelos rádios.
4.2.3 Transmissão para o Banco de Dados
Com os dados empacotados no final do processamento, iniciou-se a última etapa do
funcionamento do medidor desenvolvido: a transmissão para o banco de dados online. A Figura
4.22 é um diagrama de blocos que esquematiza como ocorrem os processos desse envio para o
banco. Nesta Seção, estão apresentados todos os passos da transmissão dos indicadores da
qualidade de energia.
20 Definições de controle de retransmissão, criptografia e tempo para retransmissão
60
Figura 4.22 - Diagrama esquemático da transmissão dos dados até o banco de dados.
Fonte: o autor.
4.2.3.1 Envio dos Dados para o Gateway
Esta etapa teve início com o microcontrolador enviando os dados para o transmissor
através do protocolo serial RS-232, visto na Seção 2.2.6.1. Ao receber essas informações, já no
padrão da API usada, elas foram novamente codificadas para estarem no padrão IEEE 802.15.4,
citado em 2.2.6.2, e foram transmitidas, via rede sem fio, para o rádio receptor no gateway,
também denominado coordenador. Quando esses pacotes são receptados, em seguida são
decodificados e novamente estão no padrão da API. O gateway recebeu esses pacotes novamente
pela comunicação serial RS-232 e os enviou para o banco de dados usado. Na Figura 4.23 é
representada essa dinâmica dos padrões usados na transmissão dos dados.
61
Figura 4.23 - Etapas de transmissão detalhada.
Fonte: o autor.
62
4.2.3.2 O Gateway
O gateway escolhido para enviar os dados recebidos pelo rádio receptor foi um Raspbarry
Pi 3 Model B, visto na Figura 4.24. Esse dispositivo tem uma capacidade alta de processamento
além de apresentar todas as características presente em um computador convencional, tendo
como principais vantagens as pequenas dimensões e o baixo consumo de energia. Na Tabela 4.8
são apresentadas as principais características do Raspbarry.
Figura 4.24 - Raspbarry Pi 3 Model B.
Fonte: acervo do autor.
Tabela 4.8 - Especificações do Raspbarry Pi 3 Model B.
Processador Broadcom BCM2837 64bit
ARMv8 Cortex-A53 Quad-Core
Frequência do processador 1.2 GHz
Memória RAM 1 GB
Conectividade Wifi 802.11n integrado
Armazenamento Entrada para cartão microSD
Dimensões 85 x 56 x 17 mm
Fonte: RASPBERRY PI (Trading) Ltd (2016) [30]
Todos os dados, sistema operacional com seus programas e rotinas são armazenados no
cartão de memória com capacidade de 16 GB. O sistema operacional escolhido foi o Linux
Raspbian que é compilado propriamente para esse dispositivo.
63
4.2.3.3 O Banco de Dados Usado
Os dados foram enviados para o banco de dados através de uma requisição HTTP que os
armazena no serviço Google Cloud Platform. Esse sistema tem um modelo definido não
relacional, adequado quando se quer adicionar um grande volume dados e fazer análises dessas
informações. Na Figura 4.25 um exemplo de uma tabela com os valores salvos de uma coleta
feita no dia 22/08/2017.
Figura 4.25 - Tela referente ao banco de dados usado.
Fonte: acervo do autor.
Finalmente, com todas as etapas do protótipo visitadas, foi possível ter em mente as suas
funcionalidades juntamente com seu potencial como um instrumento para um longo período de
amostragem. Na Figura 4.26 é apresentado o esquema eletrônico simplificado de ligações nas
64
portas dos ATmega1280. É perceptível observar que o rádio transmissor é conectado nas portas
correspondentes ao hardware de serial principal, a leitura de sinal nas portas do conversor A/D
e o LED multicolor nos pinos de uso geral.
Figura 4.26 - Esquema simplificado de ligação nos pinos do ATmega1280.
Fonte: o autor.
65
Validações Comparativas com Aparelho de Mercado
Depois de montado e em funcionamento, é importante que o protótipo desenvolvido seja
validado através de algum sistema de medição existente. Para essa validação, foi usado um
analisador da qualidade da energia modelo 30 da marca Mavowatt - Figura 4.27 [7]
disponibilizado pelo Laboratório de Máquinas Elétricas – LABMAQ que pertence ao
departamento de engenharia elétrica da escola politécnica da UFRJ. Os experimentos realizados
foram divididos pelo tipo carga que foi ensaiada. Primeiro, foi medido um circuito puramente
resistivo, e em seguida foi adicionado um indutor que, para um terceiro ensaio, foi trocado por
um capacitor e, por último, foi usada uma carga eletrônica e resistiva.
Para cada configuração ensaiada, foram obtidas 200 leituras feitas pelo medidor
proposto. Em cada leitura, foi coletado o valor de tensão e corrente eficazes, frequência,
potências aparente, ativa e reativa e distorção harmônica total. Para a validação, foram
calculados o valor médio e o desvio padrão desses indicadores e, por fim, tais dados estatísticos
foram comparados com os resultados mostrados pelo analisador de mercado usado como
referência [7].
Figura 4.27 - Medidor Mavowatt 30 [7].
66
4.3.1 Carga Puramente Resistiva
Na Figura 4.28 é mostrado o circuito simples que foi usado para a o ensaio resistivo. A
carga foi composta por 4 lâmpadas incandescentes em paralelo que totalizaram uma potência
de 1.300 W, como pode ser visto na Figura 4.29.
Figura 4.28 – Esquema do circuito puramente resistivo usado no primeiro ensaio.
Fonte: o autor.
Figura 4.29 - Fotografia do arranjo puramente resistivo montado para o ensaio.
Fonte: acervo do autor.
Os resultados do ensaio com o circuito resistivo podem ser visto na Tabela 4.9, na qual
são apresentadas as discrepâncias relativas ao medidor de mercado.
67
Tabela 4.9 - Resultados obtidos no ensaio com cargas puramente resistivas.
Indicador Medido Mavewatt 30 Protótipo Proposto
Média / Desvio Padrão Erro Relativo (%)
RMS da tensão (V) 124,5 130.98 / 3,45 4,3
RMS da corrente (A) 10,74 10,74 / 0,01 0
Frequência (Hz) 59,99 60,02 / 0,07 0,05
DHT (%) 1,7 3,4 / 0,015 100
Fator de potência -0,999 0,554 / 0,31 44
Potência Aparente (VA) 1.349,7 1.407,7 / 37,18 4,29
Potência Ativa (W) 1.346,5 783,4 / 443,7 41
Potência Reativa (VAr) -60,3 1.010,0 / 392,3 1.574
Fonte: o autor
4.3.2 Carga Resistiva com Caráter Indutivo
Para o segundo ensaio, foi usada uma carga com caráter indutivo com esquema elétrico,
sendo representado na Figura 4.30, e fotografado seu arranjo, Figura 4.31. Esse circuito usa a
mesma carga resistiva de 1.300 W do ensaio anterior com a adição de um indutor. Os dados são
apresentados na Tabela 4.10, novamente com a discrepância relativa.
Figura 4.30 - Esquema do circuito de caráter indutivo usado no segundo ensaio.
Fonte: o autor.
68
Figura 4.31 - Fotografia do arranjo indutivo montado para o ensaio.
Fonte: acervo do autor.
Tabela 4.10 - Resultados obtidos no ensaio com cargas de caráter indutivo.
Indicador Medido Mavewatt 30 Protótipo Proposto
Média / Desvio Padrão Erro Relativo (%)
RMS da tensão (V) 128,8 128,41 / 4,57 0,30
RMS da corrente (A) 5,31 5,24 / 0,0076 1,31
Frequência (Hz) 60,00 60,00 / 0,058 0,00
Indicador Medido Mavewatt 30 Protótipo Proposto
Média / Desvio Padrão Erro Relativo (%)
DHT (%) 3,0 4,7/ 0,022 56,67
Fator de potência 0,368 0,579 / 0,30 57,33
Potência Aparente (VA) 683,5 674,0 / 24,08 1,39
Potência Ativa (W) 251,5 395,0 / 212,51 57,05
Potência Reativa (VAr) 635,7 466,3 / 191,39 26,64
69
Fonte: o autor
4.3.3 Carga Resistiva com Caráter Capacitivo
Para esse cenário, o indutor foi substituído por um banco de capacitores que foi
conectado em paralelo com a carga resistiva, como pode ser observado nas Figuras 4.32 e 4.33.
Os resultados da análise desse arranjo podem ser visualizados na Tabela 4.11.
Figura 4.32 - Esquema do circuito de caráter capacitivo usado no terceiro ensaio.
Fonte: o autor.
Figura 4.33 - Fotografia do arranjo capacitivo montado para o ensaio
Fonte: acervo do autor
Tabela 4.11 - Resultados obtidos no ensaio com cargas de caráter capacitivo.
70
Indicador Medido Mavewatt 30 Protótipo Proposto
Média / Desvio Padrão Erro Relativo (%)
RMS da tensão (V) 126,4 125,00 / 4,69 1,11%
RMS da corrente (A) 10,07 9,94 / 0,86 1,29
Frequência (Hz) 59,99 60,00 / 0,079 0,01
DHT (%) 13,3 11,6 / 0,072 12,78
Fator de potência 0,041 0,639 / 0,2912 1.458,62
Potência Aparente (VA) 1.274,7 1.241,4 / 117,3 2,61
Potência Ativa (W) 51,48 793,7 / 374,9 1.441,76
Potência Reativa (VAr) 1.262,4 797,5 / 386,4 36,82
Fonte: o autor
4.3.4 Carga Resistiva com Caráter não Linear
O último ensaio do teste de validação foi feito com a substituição do conjunto de
lâmpadas incandescentes por lâmpadas fluorescentes, que usam eletrônica de potência para seu
acionamento. Tendo em vista que esse tipo de lâmpada tem um baixo consumo, foi adicionada
uma quinta lâmpada incandescente, elevando a potência do arranjo e garantindo a faixa de
corrente recomendada para leitura pelos medidores. O esquema que foi montado é representado
na Figura 4.34 e a sua fotografia pode ser vista na Figura 4.35. Os resultados estão descritos na
Tabela 4.12.
71
Figura 4.34 - Esquema do circuito de caráter não linear usado no quarto ensaio
Fonte: o autor
Figura 4.35 - Fotografia do arranjo com lâmpadas fluorescentes e uma
incandescente montado para o ensaio
Fonte: acervo do autor.
Tabela 4.12 - Resultados obtidos no ensaio com cargas de caráter não linear.
Indicador Medido Mavewatt 30 Protótipo Proposto
Média / Desvio Padrão Erro Relativo (%)
RMS da tensão (V) 128,4 124,31 / 4,69 3,18
RMS da corrente (A) 5,12 5,10 / 0,86 0,39
Frequência (Hz) 60,02 60,02 / 0,065 0,00
DHT (%) 13,5 13,46 / 0,017 0,29
Fator de potência 0,992 0,644/ 0,305 35,08
72
Indicador Medido Mavewatt 30 Protótipo Proposto
Média / Desvio Padrão Erro Relativo (%)
Potência Aparente (VA) 658,6 634,1 / 27,10 3,72
Potência Ativa (W) 647,2 402,9 / 184.1 37,74
Potência Reativa (VAr) -82,4 410,1 / 196,8 397,69
Fonte: o autor.
Ensaios de Campo Realizados
Depois da etapa de validação do medidor desenvolvido, foram feitos ensaios de campo
para avaliar os recursos relacionados com a transferência de dados pela rede formada entre o
medidor e o gateway, além do envio das informações desse dispositivo para o banco de dados.
Esses ensaios de campo foram feitos em um dos centros de distribuição do quarto andar
do Hospital Universitário Clementino Fraga Filho da UFRJ. Essa oportunidade surgiu devido
ao grande número de problemas de qualidade de energia que foram identificados pela equipe
de engenharia do hospital. Tais problemas foram apresentados ao Laboratório de Eletrônica de
Potência e Média Tensão da COPPE que forneceu o analisador de qualidade de energia Fluke
435-II, Figura 4.36, sendo este utilizado para gerar as medidas de controle desse ensaio.
73
Figura 4.36 - Fotografia do Fluke 435-II usado no ensaio de campo.
Fonte: acervo do autor.
A coleta de dados foi realizada no dia 22 de agosto de 2017 e teve uma duração de
aproximadamente 4 horas. Devido ao grande número de ocorrências do fenômeno de cintilação
da iluminação do corredor de uma das alas do quarto andar, a equipe de engenharia decidiu que
seria importante uma análise das oscilações no nível de tensão do circuito de iluminação durante
o período de maior demanda energética do hospital, que é entre 11h00m e 15h00m.
Nas Figuras 4.37 a 4.40 são apresentados gráficos comparativos dos valores para uma
das fases de frequência, tensão, corrente e DHT da corrente, respectivamente.
74
Figura 4.37 – Comparação entre o histograma dos valores de frequência.
Fonte: acervo do autor.
Figura 4.38 – Comparação entre o histograma dos valores de tensão.
Fonte: acervo do autor.
75
Figura 4.39 – Comparação entre o histograma dos valores de corrente.
Fonte: acervo do autor.
Figura 4.40 – Comparação entre o histograma dos valores do DTH.
Fonte: acervo do autor.
As medidas feitas no Hospital Universitário seguiram valores condizentes com os que
foram obtidos durante os ensaios de validação, vistos na Seção 4.3. No entanto, os valores de
corrente e DHT apresentaram um erro associado maior que o normal devido ao valor baixo da
corrente instrumentada, apresentando um ruído significativo nas medidas.
76
5. CONCLUSÃO
Conclusões Gerais
O protótipo desenvolvido apresentou as funcionalidades de medição de indicadores de
qualidade de energia, propostas como objetivo do TCC. Porém, algumas delas não
apresentaram o desempenho esperado, principalmente relacionadas ao processamento dos
sinais de tensão e corrente.
No entanto, a proposta de se construir um medidor que tivesse conectividade com outros
medidores e a internet foi atendida de forma básica e confiável.
5.1.1 Custos de Montagem
O projeto apresentou um custo muito inferior ao que foi revisado na Seção 2.3, atingindo
um dos seus principais objetivos que era o baixo custo de produção. Na Tabela 5.1 são
estratificados todos os custos com componentes para que seja feita uma unidade do medidor.
Tabela 5.1 - Estratificação dos custos de montagem de uma unidade de medição [8] e [25].
Componente usado Custo US$
Plataforma do ATmega1280 38,50
Componentes condicionador de sinal 2,00
Transformador de potencial 3,00
Transformador de corrente 7,00
Rádio XBee 24,95
Caixa de montagem 9,90
Fios, conectores, LED e interruptor 3,00
Total 88,35
77
O custo dos componentes totalizou, aproximadamente, US$ 88,35. Vale ressaltar que, nesse
valor, não estão inclusos os custos de desenvolvimento relacionados ao servidor, banco de
dados e ao software feito para o ATmega1280. Quando comparado com o modelo mais barato
usado como referência no qual foi revisado dos aparelhos de mercado na Seção 2.3, o EAMC
PEL 102, observa-se que o valor é aproximadamente 18 vezes menor.
5.1.2 Desempenho na Aquisição e Processamento de Dados
Durante os testes para a validação, vistos na Seção 4.3, foram realizados 4 ensaios com
arranjos diferentes, nos quais foram calculados os valores de discrepância relativa ao medidor
industrial usado como referência. Na Tabela 5.2 estão resumidos esses valores de acordo com
cada configuração usada.
Tabela 5.2 - Resultados das discrepâncias relativas dos ensaios realizados
Indicador Medido
Ensaio
Puramente
Resistivo
Ensaio de
Caráter
Indutivo
Ensaio de
Caráter
Capacitivo
Ensaio com
Cargas não
Lineares
RMS da tensão (%) 4,3 0,30 1,11 3,18
RMS da corrente (%) 0,0 1,31 1,29 0,39
Frequência (%) 0,05 0,0 0,01 0,0
DHT (%) 100 56,67 12,78 0,29
Fator de potência (%) 44 57,33 1.458,62 35,08
Potência Aparente (%) 4,29 1,39 2,61 3,72
Potência Ativa (%) 41 57,05 1.441,76 37,74
Potência Reativa (%) 1.574 26,64 36,82 397,69
Fonte: o autor.
78
5.1.2.1 Conclusões Referentes a Transdução dos Sinais
Apesar de ter sido usado um TP com uma linearidade inadequada para um equipamento
de medição, foram obtidos valores de tensão eficazes, com resultados de até 0,3% de diferença
do valor de referência. No entanto, foi observado um desvio padrão máximo de 4,57 V no
conjunto de amostras obtidas para o ensaio de caráter indutivo. Isso pode ser resultado de uma
histerese alta no metal que compõe o TP.
Convém lembrar que esse TP aplicado no projeto é fabricado para ser usado em fontes
de aparelhos eletrônicos, ou seja, não existe a preocupação do fabricante em garantir uma alta
linearidade na transformação.
Na segunda linha da Tabela 5.2 são apresentados os valores relativos das medições de
corrente do circuito avaliados. Nesse caso, o melhor valor de corrente medido foi para a situação
do cenário puramente resistivo, que foi igual ao valor do medidor de referência. Para esse
resultado, o desvio padrão foi de aproximadamente 0,01 A, ou seja, é evidente que o TC
escolhido, apesar de não ser considerado linear, apresenta uma boa resposta em sua utilização
com uma linearidade e precisão semelhantes ao que foi obtido com o instrumento de referência.
É importante enfatizar que, para valores de corrente muito baixos, os ruídos gerados pelo
transdutor são significativos para as etapas de processamento feitas pelo protótipo.
5.1.2.2 Conclusão Referente ao Processamento dos Sinais
Os indicadores resultantes diretamente dos sinais amostrados são os de frequência,
potência aparente e distorção harmônica total da corrente.
A discrepância relativa da frequência apresentou um valor igual ao da referência para
dois circuitos (capacitivo e não linear), com um desvio padrão de aproximadamente 0,07 Hz.
Isso pode ser associado ao próprio erro na aquisição da corrente, no cálculo e na discretização21
do sinal que está sendo processado no microcontrolador usado, efeito presente até no medidor
de mercado usado como referência.
21 É o processo de colocar valores em patamares definidos, de modo que haja um número limitado de possíveis
estados.
79
Outro valor que é proveniente diretamente das medidas de tensão e corrente é o da
potência aparente no circuito. De acordo com a Tabela 5.2, o melhor resultado para esse
indicador (para o ensaio de caráter indutivo) apresentou um erro de aproximadamente 1,39%,
o que já era esperado, uma vez que é resultante da multiplicação de dois valores com erro
associados.
O DHT apresentou resultados bem ineficazes, com uma discrepância relativa de 100%
para o pior dos casos (ensaio puramente resistivo) e de 0,29% para o melhor, que foi ao medir
a carga não linear. O problema no processamento dessa medida é associado diretamente à baixa
capacidade de armazenamento dos pontos coletados na memória RAM22 do microcontrolador.
Nesse caso, é processado somente um período de onda, possibilitando calcular as componentes
múltiplas de 60 Hz, agregando uma alta imprecisão no cálculo da distorção harmônica total. A
precisão das medidas vai depender da quantidade de componentes harmônicas múltiplas de 60
Hz, excluindo a componente fundamental que o sinal de corrente apresentar, gerando assim
uma grande variação nas medições desse indicador.
O fator de potência (FP) é um indicador calculado através das componentes harmônicas,
que não estão apresentando uma precisão adequada. Dessa forma, esse valor calculado se
apresenta aleatório e tem um grande desvio padrão associado. Infelizmente, é necessário que o
DHT seja preciso para que o fator de potência tenha uma exatidão maior. Em consequência do
FP, o valor das potencias ativa e reativa também se apresenta aleatório, com uma alta
discrepância e elevado desvio padrão.
5.1.3 Desempenho na Transmissão dos Dados
As funcionalidades que envolvem a transmissão dos dados para um servidor e banco de
dados não apresentaram grandes problemas durante os ensaios. Os rádios integraram
perfeitamente as necessidades do projeto, e o gateway adotado apresentou a robustez necessária
para receber os dados que foram enviados pelo medidor. O banco de dados web funcionou de
22 Tipo de memória usada para armazenar variáveis, ou seja, valores que são usados nas rotinas de
processamento.
80
forma básica e confiável, ou seja, recebeu os dados enviados pelo gateway e indexou esses
valores de forma eficiente, possibilitando o fácil acesso pelo usuário.
5.2 Sugestões de Trabalhos Futuros
Para trabalhos futuros a respeito do projeto desenvolvido, existem muitas
recomendações, como a troca de do microcontrolador e o uso de melhores transdutores, que
tornariam o projeto mais eficiente e confiável na instrumentação. Entretanto, o tornaria mais
custoso, tanto no desenvolvimento quanto no custo relativo aos componentes.
5.2.1 Recomendações para o Hardware
Uma vez que, durante os ensaios, foram observados problemas na medição de tensão, é
recomentado que sejam usados transdutores adequados para essa função. Também é
interessante que sejam estudados os modelos baseados no efeito hall, que possam garantir uma
melhor linearidade e até mesmo medições de corrente contínua.
Foram observados muitos problemas referentes à capacidade de processamento do
ATmega1280. Tendo isso em vista, é fundamental que, para projetos futuros, seja empregado
um microcontrolador mais avançando, com maior capacidade de processamento e memória
RAM.
Atualmente no mercado, existem diversos modelos que podem ser empregados nessa
situação, como a plataforma Teensy (Figura 5.1), que é baseada em microprocessador com
tecnologia ARM23, o qual é comumente usado em smartphones e possui uma velocidade de
processamento 11 vezes maior que a do ATmega1280, com 32 vezes mais memória RAM.
Dessa forma, possibilita uma medição trifásica juntamente com o uso de algoritmos avançados
23 É uma arquitetura de processador de 32 bits usada principalmente em sistemas embarcados. São
processadores que visam a simplificação das instruções, com o intuito de atingir a máxima eficiência por ciclo,
podendo realizar tarefas menores com ciclos mais curtos, e uma maior ordenação das operações dentro do núcleo
de processamento.
81
para o processamento dos dados. A Teensy, em sua versão mais cara custa US$ 29,00 sendo
mais barata que a plataforma atual. No entanto, não é possível comprá-la no Brasil.
Figura 5.1 - Plataforma Teensy 3.6 [29].
Para esse tipo de projeto, é interessante que seja usado um cartão de memória que possa
armazenar os dados off-line no medidor, possibilitando sua utilização em situações que o
gateway não esteja conectado, gerando assim mais confiabilidade para a rede formada entre os
instrumentos. No entanto, para funcionar dessa forma, é fundamental que seja usado um circuito
de Real Time Clock, que tem a função de armazenar e controlar as informações de hora e data
para que os dados gerados, quando acessados e lidos, sejam indexados de forma correta.
Uma última recomendação para a modificação do hardware é o uso de rádios mais
baratos. No mercado, é possível encontrar o modelo ESP8266 (Figura 5.2), que é um rádio que
tem a capacidade de se conectar diretamente com a internet, por meio de uma conexão
convencional de rede sem fio. Esse modelo custa US$ 2,00, que é aproximadamente 12 vezes
menos do que o XBee usado no desenvolvimento do protótipo, além de possibilitar o desuso do
gateway, enviando os dados do medidor direto para o servidor.
Figura 5.2 - Rádio transmissor ESP8266.
Fonte: acervo do autor.
82
Existem outras melhorias, como conexão bluetooth e a redução de suas dimensões, que
devem ser feitas para que o protótipo atinja um nível de qualidade que seja aplicável em
medições reais da qualidade da energia.
5.2.2 Recomendações para o Firmware
O desenvolvimento do firmware24 ficou muito limitado pela baixa capacidade de
processamento do microcontrolador usado. No modelo atual, os processos foram feitos em
apenas um período do sinal, tornando os resultados muito imprecisos, como foi visto na Seção
5.1.2. Para que sejam apresentados melhores resultados, é interessante coletar o máximo de
pontos possíveis dos sinais amostrados, para apresentar uma definição cada vez mais apurada
das componentes harmônicas.
Para aumentar a velocidade de cálculos, é importante que seja usado um algoritmo
conhecido como Fast Fourier Transform 25 (FFT) que, implementado para o processamento de
sinais de áudio e imagem, garante uma otimização no uso dos recursos computacionais da
central de processamento.
Uma melhoria que pode ser ressaltada para o banco de dados é a aplicação de algoritmos
de aprendizado computacional. Com isso, o sistema, ao receber dados, vai aprender com eles e
gerar relatórios de qualidade de energia cada vez mais precisos e confiáveis.
24 Conjunto de instruções operacionais programadas diretamente no hardware de um equipamento eletrônico. 25 Algoritmo eficiente para se calcular a transformada de Fourier e a sua inversa para sinais discretos.
83
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