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UNIVERSIDADE POSITIVO
NÚCLEO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO
ANALISADOR AUTÔNOMO DE QUALIDADE DA ENERGIA
ELÉTRICA COM PROCESSAMENTO EM SOFTWARE
Fernando Oliveira da Silva
Monografia apresentada à disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso como requisito
parcial à conclusão do Curso de Engenharia da Computação, orientada pelo Prof.
Amarildo Geraldo Reichel.
UP/NCET
Curitiba
2008
TERMO DE APROVAÇÃO
Fernando Oliveira da Silva
Analisador Autônomo de Qualidade da Energia Elétrica com Processamento em Software
Monografia aprovada como requisito parcial à conclusão do curso de Engenharia da Computação
da Universidade Positivo, pela seguinte banca examinadora:
Prof. Amarildo Geraldo Reichel (Orientador) Prof. Alessandro Brawerman Prof. Mauricio Perreto
Curitiba, 3 de Dezembro de 2008.
AGRADECIMENTOS
Sem o auxílio de várias pessoas, com certeza este projeto não seria possível. Gostaria em
primeiro agradecer meus pais por me guiarem até o início da minha vida acadêmica me dando
base para enfrentar todos os desafios, mesmo eles não tendo a oportunidade de concluir um
ensino superior. Agradeço também meus padrinhos por me darem a formação moral e
profissional para que eu pudesse enfrentar o mundo. Para este projeto, eu agradeço
especialmente o pessoal da Consilux, principalmente meu irmão Leandro e meu amigo
Guilherme, por várias horas de solda, também agradeço o Diego, por permitir a utilização de
várias horas de trabalho para conclusão desse projeto.
RESUMO
Este projeto auxilia na análise da qualidade na energia elétrica coletando informações de tensão e
corrente da rede elétrica, armazenando-as em um cartão de memória, para posteriormente serem
processadas em um computador. Com o auxílio de um software especialmente desenvolvido para
o projeto, as informações armazenadas no cartão de memória são carregadas e analisadas através
de gráficos de tensão, corrente, potência e um relatório completo dos distúrbios registrados na
rede de energia elétrica monitorada.
Palavras chave:
Analisador de tensão, Analisador de Corrente, Qualidade da Energia Elétrica
STANDALONE POWER LINE QUALITY ANALYZER WITH SOFTWARE PROCESSING
ABSTRACT
This project can be help on analysis of power line quality collecting information of voltage and
current signals from the power line and store then on a memory card, so later with this saved
information on memory card, this information can be transferred to computer. On specialized
software develop for this project, will be load and analyze this information and make a voltage,
current, averaged supply and a complete power line disturb report.
Key words:
Voltage analyzer, Current analyzer, Power Quality.
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE TABELAS
LISTA DE SIGLAS
LISTA DE SÍMBOLOS
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO .............................................................................................. 12
CAPÍTULO 2 - FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ................................................................... 13
2.1 Alimentação CA .......................................................................................................... 13
2.2 Sensores de Corrente ................................................................................................... 14
2.3 Conversor A/D. ........................................................................................................... 15
2.4 Amplificador Operacional............................................................................................ 16
2.5 Microcontrolador ......................................................................................................... 17
2.6 Memória não Volátil .................................................................................................... 18
2.7 SPI .............................................................................................................................. 20
2.8 FAT 16 ........................................................................................................................ 21
2.9 Qualidade da Energia Elétrica ...................................................................................... 23
2.9.1 Distúrbios de Alta Freqüência na Rede Elétrica .................................................... 23 2.9.2 Harmônicos e Distorções da forma de onda .......................................................... 25 2.9.3 Sags e swells ......................................................................................................... 27
CAPÍTULO 3 - ESPECIFICAÇÃO DO PROJETO .................................................................. 29
3.1 Valores Absolutos do Projeto ....................................................................................... 33
CAPÍTULO 4 - DESENVOLVIMENTO E IMPLEMENTAÇÃO ............................................ 34
4.1 Descrição Geral dos Módulos: ..................................................................................... 34
4.2 Projeto do Hardware .................................................................................................... 34
4.3 Desenvolvimento do Hardware .................................................................................... 41
4.4 Requisitos do Software ................................................................................................ 42
4.5 Projeto do Software ..................................................................................................... 43
4.6 Desenvolvimento do Software ..................................................................................... 45
CAPÍTULO 5 - VALIDAÇÃO E RESULTADOS .................................................................... 47
5.1 Requisito 1 .................................................................................................................. 47
5.2 Requisito 2 .................................................................................................................. 48
5.3 Requisito 3 .................................................................................................................. 48
5.4 Requisito 4 .................................................................................................................. 49
5.5 Requisito 5 .................................................................................................................. 50
5.6 Requisito 6 .................................................................................................................. 51
5.7 Requisito 7 .................................................................................................................. 52
CAPÍTULO 6 - CONCLUSÃO ................................................................................................ 54
CAPÍTULO 7 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................. 55
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Geração de Corrente Alternada ................................................................................. 13
Figura 2 - Sensor de corrente por efeito Hall ............................................................................. 15
Figura 3 - Amostragem de um sinal analógico .......................................................................... 16
Figura 4 – Esquema de uma Amplificador Operacional na forma subtrator ............................... 17
Figura 5 - Microcontrolador C8051F410 .................................................................................. 18
Figura 6 - Comunicação Master/Slave ...................................................................................... 20
Figura 7 - Impulsos unidirecionais ............................................................................................ 24
Figura 8 – Transientes .............................................................................................................. 25
Figura 9 - Sinal distorcido ........................................................................................................ 26
Figura 10 - Representação da distorção por duas senóides ........................................................ 26
Figura 11 – Fluxo geral do sistema ........................................................................................... 29
Figura 12 – Interfaces Externas ................................................................................................. 35
Figura 13 – Sub-blocos do Kit de Coleta................................................................................... 36
Figura 14 - Esquema da Fonte de Alimentação ......................................................................... 37
Figura 15 - Esquema do Redutor de Tensão e Adaptador de Sinal............................................. 38
Figura 16 - Esquema do Redutor de Tensão para o Sensor de Corrente ..................................... 38
Figura 17 - Kit de desenvolvimento do microcontrolador.......................................................... 39
Figura 18 – Esquema da Interface com o cartão de memória SD ............................................... 39
Figura 19 - Diagrama de Funcionamento do Kit de Coleta de Dados......................................... 40
Figura 20 - Caso de Uso do Software de Pós-processamento .................................................... 43
Figura 21 - Diagrama de Entidade e Relacionamento ................................................................ 43
Figura 22 - Diagrama de Classe ................................................................................................ 44
Figura 23 - Invólucro ................................................................................................................ 48
Figura 24 – Arquivos armazenados no cartão SD ...................................................................... 49
Figura 25 – Dados de tensão coletados pelo kit de coleta .......................................................... 50
Figura 26 – Monitoramento da corrente pelo kit de coleta ......................................................... 51
Figura 27 – FFT de uma onda quadrada .................................................................................... 52
Figura 28 – Relatório de Qualidade .......................................................................................... 53
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Pinos de comunicação SPI ....................................................................................... 20
Tabela 2 – Classificação CEBEMA .......................................................................................... 27
Tabela 3 – Classificação dos distúrbios ..................................................................................... 28
Tabela 4 – Pinos de entrada e saída do microcontrolador. ......................................................... 41
LISTA DE SIGLAS
NCET- Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas
UP – Universidade Positivo
CA – Corrente Alternada
PC – Personal Computer (Computador Pessoal)
A/D – Conversor analógico-digital.
RMS/rms – Média quadrática do sinal senoidal.
SAG – Queda da tensão rms.
CI – Circuito integrado.
SWELL – Aumento da tensão rms.
AmpOp – Amplificador Operacional.
LISTA DE SÍMBOLOS
- ohm
Vrms – Tensão média quadrática
Vpp – Tensão pico a pico
Vp – Tensão de pico
Mips – Milhões de instruções por segundo
Ksps – Quilo amostras por segundo.
12
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO
Atualmente, cada vez mais equipamentos eletrônicos e elétricos estão automatizando e
simplificando diversas tarefas tanto na produção industrial quanto no nosso dia a dia. Com esta
nova era, existe um constante crescimento da demanda de energia elétrica para alimentar os mais
diversos aparelhos eletroeletrônicos. Para suprir esta demanda e manter a qualidade, passou a ser
necessário monitorar a qualidade da energia elétrica entregue ao consumidor final. Para este
monitoramento são utilizados diversos parâmetros técnicos, desde parâmetros básicos como
continuidade do fornecimento (interrupção contínua), assim como parâmetros mais complexos
como a presença de harmônicas no sinal de tensão (ABRACOPEL, 2008).
No Brasil ainda não existe uma norma específica para qualidade de energia, porém a maioria dos
equipamentos de análise de qualidade de energia utiliza a norma européia EN50160. Esta norma
define os parâmetros de medição da energia elétrica para que seja possível indicar a qualidade da
energia elétrica entregue. Pela falta de uma norma específica brasileira, este projeto utilizou-se
desta norma (EN50160) como base para o levantamento das informações a serem analisadas
(FLUKE, 2006)(MINIPA, 2005).
Para realizar tal monitoramento, este projeto propõe o desenvolvimento de um sistema autônomo
que seja capaz de armazenar as informações de tensão e corrente em um dispositivo de memória
de estado sólido por um período de pouco mais de um dia. Após este período, os dados desta
memória devem ser transferidos para um computador com um software desenvolvido
especialmente para este projeto, que irá ler estas informações coletadas e convertê-las em
informações úteis na análise da qualidade da energia elétrica.
Para elaboração deste trabalho, são utilizados conceitos de várias áreas, desde a modulação do
sinal para entrega da energia elétrica aos consumidores até o mecanismo de armazenamento de
arquivos em cartões de memória compactos, esta monografia irá abordar estes conceitos de
forma sucinta e aplicada ao desenvolvimento de um analisador autônomo de qualidade de
energia com processamento em software.
13
CAPÍTULO 2 - FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Este projeto envolveu pesquisas e conhecimentos nas áreas de cálculo, circuitos digitais,
circuitos analógicos, sistema de armazenamento de dados e análise de sinais contínuos. Na
seqüência será apresentado um breve estudo sobre os principais conceitos abordados neste
projeto.
2.1 Alimentação CA
As grandezas da natureza são quase sempre analógicas, ou seja, possuem uma gama imensa de
valores diferentes para uma variável, logo na energia elétrica não poderia ser diferente. A
produção de energia elétrica em grandes escalas para alimentar cidades, utiliza-se da
transformação de energia mecânica em energia elétrica. Como se trata de um processo mecânico
rotatório, ou seja, oscilatório, a energia elétrica gerada neste processo será também oscilatória,
este efeito oscilatório da tensão faz com que a corrente também oscile na mesma proporção, daí
o nome, Corrente Alternada (CA). Na Figura 1, podemos observar o processo de geração de
corrente alternada, onde um anel metálico é exposto a um campo magnético, e após sua rotação
um campo elétrico cíclico induz uma corrente alternada. (FRAGNITO, 2005).
Figura 1 - Geração de Corrente Alternada Fonte: CEPA - Centro de Ensino e Pesquisa Aplicada (2008)
14
2.2 Sensores de Corrente
Para medição da corrente em um condutor, existem basicamente duas formas distintas: Invasiva
e não invasiva. A medição invasiva utiliza-se da lei de Ohm, que afirma que a tensão sobre um
resistor é diretamente proporcional a corrente que passa sobre ele, ou seja, qualquer condutor por
mais puro que seja possui uma mínima resistência, então se constata que um condutor também é
um resistor, logo para se medir a corrente que flui sobre este condutor, basta medir a tensão
sobre ele. Mas, este tipo de medição não é a mais adequada para uma corrente relativamente alta,
isto porque, para se conseguir uma medida com uma precisão razoável precisaria de um condutor
com uma resistência um pouco mais alta, que segundo a lei de Joule dissiparia mais potência na
forma de calor, consumindo então parte da energia que trafega pelo condutor (BAPTISTA,
2004).
Já a medição não invasiva faz a leitura do campo magnético em torno do condutor. Segundo a lei
de Faraday, uma corrente pode ser induzida em um circuito por um campo magnético e vice-
versa. Partindo desse ponto, chega-se a conclusão que é possível medir a corrente sobre um
condutor somente com a leitura do campo magnético em torno deste. Como circuitos digitais e
analógicos trabalham somente com sinais de corrente ou tensão, para se realizar a leitura do
campo magnético é necessário convertê-lo novamente em corrente ou tensão, porém já em um
circuito isolado do condutor que originalmente produziu a corrente (BAPTISTA, 2004).
O efeito Hall foi descoberto em 1879 por E.H. Hall, que submeteu um condutor elétrico a um
campo magnético perpendicular a direção da corrente elétrica. Hall verificou que uma diferença
de potencial elétrico aparecia nas laterais deste condutor na presença do campo magnético. Este
efeito ocorre devido a cargas elétricas tenderem a desviar-se de sua trajetória por causa da força
de Lorentz. Desta forma, cria-se um acúmulo de cargas nas superfícies laterais do condutor
produzindo uma diferença de potencial. Apesar do efeito Hall existir em qualquer material
condutor, seu efeito é mais intenso em materiais semicondutores. Entretanto, os semicondutores
apresentam variações de lote para lote, necessitando de um circuito eletrônico auxiliar para
ajustar o sinal do efeito Hall para um valor calibrado do campo magnético.
Em um sensor de corrente, a transformação do campo magnético em corrente para depois
transformá-la em tensão é realizada de forma eletrônica em um circuito integrado. Porém, como
o campo magnético flui em todas as direções, no sensor de corrente utiliza-se um ‘condutor
magnético’ que concentra este campo em uma determinada área, este condutor ‘magnético’ é
conhecido como ferrite. O circuito integrado do sensor de corrente varia a tensão sobre um de
15
seus pinos proporcionalmente à corrente que passa sobre o condutor elétrico no centro conforme
Figura 2 (HONEYWELL, 2008).
Figura 2 - Sensor de corrente por efeito Hall Fonte: Honeywell – CS Series Sensors (2008)
2.3 Conversor A/D.
No Brasil, a rede elétrica possui uma variação de tensão de 60Hz, ou seja, há uma variação de 60
vezes em um segundo da tensão entre o pico positivo e negativo,formando um senóide com
diversos valores intermediários (ANEEL, 2001).
Como este projeto utiliza-se da computação digital para armazenar e processar os dados, é
necessário então converter esses diversos valores que a tensão assume no tempo, em valores
digitais. Para esta conversão é utilizado um conversor Analógico/Digital, daí a sigla A/D, que
quantifica esses diversos valores em uma escala de valores discretos, conforme pode ser visto na
Figura 3 onde um sinal analógico com milhares de amplitudes intermediárias é amostrado em
valores pré-definidos (parte superior da figura), para então serem processados de forma discreta
com amplitudes constantes (pare inferior da figura). (NATIONAL INSTRUMENTS, 2008)
Os valores analógicos de tensão devem ser atenuados para que o conversor A/D possa amostrá-
los, para isso é necessário utilizar um transformador, que isola galvanicamente e reduz a tensão
CA para um valor menor. Adicionalmente através de amplificadores operacionais é possível
adequar o sinal para a leitura do A/D (VASCONCELOS, 2008).
16
Figura 3 - Amostragem de um sinal analógico
2.4 Amplificador Operacional.
Como normalmente o A/D possui uma referência de tensão independente do sinal que irá
amostrar, é necessário “casar” estas duas referências, para isto utiliza-se um CI (circuito
integrado) Amplificador Operacional. Este CI também conhecido como AmpOp possui uma
infinidade de aplicações na eletrônica analógica, porém para este projeto ele é utilizado na
configuração subtrator. Nesta configuração o AmpOp produz um único sinal em sua saída que é
a diferença entre os dois sinais na entrada (Figura 4) (VASCONCELOS, 2008).
Após o sinal ser tratado por um ou mais amplificadores, o sinal já está adequado a entrada do
A/D.
17
Figura 4 – Esquema de uma Amplificador Operacional na forma subtrator
2.5 Microcontrolador
Cada vez mais os equipamentos eletrônicos estão menores e mais poderosos. Os
microcontroladores, são com certeza uma das maiores provas da miniaturização de circuitos
complexos em somente uma pastilha (FERREIRA, 2003).
Por sua portabilidade para desenvolver os mais diversos sistemas, os microcontroladores
modernos são utilizados desde os equipamentos sofisticados como injeções eletrônicas a
pequenos brinquedos infantis. Um microcontrolador é formado basicamente por um processador,
uma memória de programa e uma memória de trabalho; porém, os microcontroladores modernos
já possuem também conversores A/D internos, sensor de temperatura entre outros.
Um microcontrolador funciona a partir de um programa chamado firmware. Este programa de
baixo nível tem acesso direto ao hardware do microcontrolador, sendo capaz de ler qualquer
valor nas entradas do microcontrolador. Além da possibilidade de adquirir valores do mundo
externo, o hardware também fornece ao firmware, timers (temporizadores) (FERREIRA, 2003).
Pensando em economia de energia e funcionamento com bateria, os microcontroladores
modernos possuem também modos de funcionamento de baixo consumo. Isto pode ser muito útil
para sistemas embarcados que necessitam que um microcontrolador funcione com alimentação
da bateria por longos períodos.
18
Figura 5 - Microcontrolador C8051F410 Fonte: C8051F410/1/2/3 Data Sheet (2007)
Os microcontroladores também possuem diversas interfaces com outros dispositivos digitais,
como por exemplo memórias especializadas. Através de pinos dedicados o microcontrolador é
capaz de se comunicar facilmente com uma memória externa armazenando dados processados
pelo seu firmware em uma memória não volátil.O microcontrolador C8051F410 da Silicon Labs
(Figura 5) une o poder de processamento aliado a um poderoso AD interno, com um Core de 50
Mips e um A/D de 12 bits a 120ksps este microcontrolador se destaca frente a outros por unir o
melhor poder de processamento a um custo de desenvolvimento reduzido, já que este core
engloba o A/D interno evitando circuitos interfaceadores adicionais, além de possuir um
ambiente de desenvolvimento de firmware em linguagem C (SILICON LABS, 2007).
2.6 Memória não Volátil
O armazenamento de dados em memória não-volátil, ou seja, que não dependa de energia
elétrica para se manter, nas primeiras versões era feito de uma forma bem rudimentar. A primeira
forma de se armazenar dados computacionalmente sem a exigência de alimentação foram os
cartões perfurados. Como se pode imaginar, continham diversas falhas e exigiam uma perícia do
operador que não podia desordená-los (fisicamente) de forma alguma, pagando o preço de perder
toda a informação contida neles. O sistema de leitura/escrita era feito mecanicamente com
pequenos pinos que atravessavam os cartões para marcá-los ou lê-los.
Posteriormente surgiu o sistema de armazenamento magnético, este sistema bem mais compacto
utiliza-se de superfícies magnetizadas e densamente povoadas com pequeníssimos bastões de
19
ferro; um cabeçote de leitura/gravação alinha magneticamente estes bastões para gravar e faz a
leitura da polaridade dos mesmos quando necessita ler os dados. Este sistema sofreu grandes
avanços tecnológicos e perdura até hoje em HDs e fitas de backup, porém podem deixar a
desejar na velocidade de acesso aos dados. Nestes tempos em que os volumes de dados
armazenados e lidos são da ordem dos bilhões, os dispositivos magnéticos podem estar chegando
ao final de sua vida (FELITTI, 2007).
Os dispositivos óticos como CDs e DVDs nunca chegaram a serem cogitados como alternativa
para armazenamento volátil de constante alteração, isto porque, o sistema de gravação dos
mesmos ainda é muito lento frente ao magnético e também ainda são pouco compactos
(MCLEAN, 2008).
Nos últimos anos, surgiu um novo sistema de armazenamento não-volátil, conhecido como
memórias flash. Este novo tipo de memória vem revolucionando o mercado de dispositivos
eletrônicos, isto porque elas são rápidas, compactas, consomem pouca energia e seu custo de
produção vem sendo reduzido a cada dia Graças a estas novas memórias, máquinas de fotografia
digital, tocadores compactos de música e até eletro-domésticos puderam evoluir
consideravelmente. Por possuir uma interface de comunicação já digital e não ter partes
mecânicas, este tipo de memória pode ser embarcada nos mais diversos lugares, desde
televisores até ar-condicionados e carros. Essa enorme gama de utilidades surge do conceito
básico de armazenar informações para mais tarde serem lidas sem ter que manter uma
alimentação elétrica neste período. Hoje em dia já é possível encontrar dispositivos de memória
que utilizam memórias flash a um preço de menos de um centavo por megabyte, este valor que
há pouco mais de 3 anos era aproximadamente 10x mais caro (IDG NEWS SERVICE).
Diversas empresas já produzem comercialmente este tipo de memória no formato cartão,
de fácil desacoplamento. Podem-se citar três formatos mais utilizados de cartões de memória
flash: CompactFlash, Memory Stick e SecureDigital - SD. O CompactFlash criado pela SanDisk
surgiu inspirado nos cartões PCMCIA dos note-books, sua interface de comunicação é bem
próxima ao PCMCIA, por trabalhar com memórias flash de alta velocidade, foram largamente
utilizados em câmeras digitais e filmadoras, crescendo o olho de poderosas empresas de
eletrônicos como a Sony, que pouco tempo depois criou o Memory Stick. O Memory Stick
lançado e mantido pela Sony funciona de forma muito semelhante ao SD, mas é utilizado
somente em dispositivos Sony, isto porque, a Sony mantém altos custos de royaltes para a
utilização do mesmo, e também a Sony mantém sua arquitetura e protocolo não aberto
(CARDSPEED, 2006) .
O SD surgiu como evolução do MMC (MultMediaCard), na época do seu lançamento foi dado
como solução para proteger os direitos autorais da indústria da música, porém, hoje já muito
20
difundido acabou tendo seu dispositivo de proteção de arquivos (principalmente músicas) muito
pouco utilizado (CARDSPEED, 2006). O SD possui algumas variações de tamanho, porém seu
modo de funcionamento é basicamente o mesmo.
2.7 SPI
SPI (Serial Peripheral Interface) é uma interface de comunicação inter-dispositivos simplificada
e amplamente utilizada com microcontroladores assim como o SMBus e o I2C. Ela funciona no
formato mestre-escravo, ou seja, um dispositivo tem o controle sobre a comunicação e faz a
leitura e a escrita conforme Figura 6 (SCHWERDTFEGER, 2000).
Figura 6 - Comunicação Master/Slave
A interface SPI pode ser utilizada trabalhando com mais que um escravo, porém não suporta
grandes distâncias. Ela também trabalha em full-duplex e utiliza somente uma fonte de clock
vinda do mestre. Por trabalhar em uma arquitetura serial, é flexível aos mais diversos
microcontroladores, de 8 bits, 16 bits e 32bits, graças a esta arquitetura serial, pode-se endereçar
memórias de até 4Gb (desde que seja possível desenvolver um firmware para o mesmo). Na
Tabela 1, podem-se observar os pinos de comunicação da interface SPI. (CARDSPEED, 2006).
O SPI trabalha com um clock de até 70MHz, muito útil para utilização da comunicação com
memórias flash. Partindo-se desta premissa, o cartão de memória SD implementa a comunicação
SPI além do seu protocolo nativo SDIO. O cartão de memória SD, trabalha no modo SPI a uma
freqüência de 25MHz e 50Mhz para cartões ultra rápidos (CARDSPEED, 2006).
Tabela 1 – Pinos de comunicação SPI
Pino
Microcontrolador
Pino
Cartão SD
Nome Descrição
SCLK P5 Serial Clock Clock Geral
21
MOSI P2 (Master Output Slave
Input
Envia dados do servo
para o escravo.
MISO P7 Master Input Slave
Output
Recebe dados do
escravo para o servo.
SS P1 Slave Select Habilita o dispositivo
escravo em nível baixo.
2.8 FAT 16
FAT (File Allocation Table), é a estrutura mais simples que um sistema de arquivos pode ser
armazenado em um dispositivo. Originalmente desenvolvido para trabalhar com
microcomputadores pessoais de baixa performance, este tipo de sistema de arquivos perdura até
hoje em dispositivos simples (MICROSOFT CORPORATION, 2000).
O FAT por se tratar de um sistema de arquivos simples, pode ser escolhido como o melhor
sistema de arquivos para um dispositivo compacto, por isso as fabricantes de tocareres de
músicas portáteis e máquinas digitais utilizam o FAT como sistema de arquivos padrão para
armazenamento de dados, tornando-se o FAT, uma espécie de sistema de arquivos universal para
armazenamendo de dados em dispositivos portáteis.
Todos os sistemas de arquivos FAT foram desenvolvidos originalmente para a arquitetura IBM
PC. A importância disto é que o sistema de arquivos FAT armazenado na estrutura de dados do
disco é todo “little endian”, ou seja, bytes em endereços menores são menos significativos. Se
observar para uma entrada FAT32 armazenada em um disco como uma série de 4 bytes, sendo
primeiro o byte 0 e o último o byte 3, teremos 32 bits numerados de 00 até 31 (onde 00 é o bit
menos significativo e 31 é o bit mais significativo) armazenados da seguinte maneira:
Byte[3] = 31,30,29,28,27,26,25,24
Byte[2] = 23,22,21,20,19,18,17,16
Byte[1] = 15,14,13,12,11,10,09,08
Byte[0] = 07,06,05,04,03,02,01,00
Isto é importante, pois se a máquina é “big endian” será necessário traduzir os dados de “big”
para “little endian” conforme são lidos ou armazenados dados no disco (MICROSOFT
CORPORATION, 2000).
22
O volume do sistema de arquivos FAT é dividido em quatro regiões básicas, que estão
armazenadas nesta ordem no volume:
0 – Região Reservada
1 – Região FAT
2 – Região do diretório root
3 – Região de arquivos e diretórios
A primeira estrutura de dados importante de um volume FAT é chamada de “BIOS Parameter
Block” (BPB), que está localizada no primeiro setor do volume na Região Reservada. Este setor
é algumas vezes chamado setor de boot, setor reservado ou setor 0, mas o mais importante é que
este é o primeiro setor do volume (MICROSOFT CORPORATION, 2000).
A próxima estrutura importante é a FAT propriamente dita. Esta estrutura define uma lista de
“extensões” (clusters) de um arquivo. Um apontamento para um diretório FAT é nada mais do
que um arquivo regular com um atributo especial indicando que isto é um diretório. Outra
informação importante sobre diretórios é que o conteúdo do “arquivo” é uma série de entradas de
diretório (32 bytes). A FAT mapeia a região de dados do volume através do número do cluster. O
primeiro cluster de dados é o cluster 2.
Para calcular o início da região de dados é necessário primeiramente calcular a quantidade de
setores que o diretório root ocupa, conforme fórmula apresentada na eq 1.
RootDirSectors = (( BPB_RootEntCnt * 32 ) + ( BPB_BytsPerSec – 1 )) / BPB_BytsPerSec; (eq. 1)
O início da região de dados, o primeiro setor do cluster 2, é calculado da seguinte maneira,
conforme fórmula apresentada na eq 2.
FirstDataSector = BPB_ResvdSecCnt + ( BPB_NumFATs * FATSz16 ) + RootDirSectors; (eq. 2)
Um diretório FAT é nada mais do que um “arquivo” composto de uma lista linear de estruturas
de 32 bytes. O único diretório especial que sempre deve estar presente é o diretório root. Para
volumes FAT12/16 o diretório root está localizado em uma região fixa, logo após a última
estrutura FAT e possui um tamanho fixo de setores (RootDirSectors). Para FAT12/16 o primeiro
setor do diretório root é relativo ao primeiro setor do volume FAT e pode ser calculado conforme
segue a fórmula:
23
FirstRootDirSecNum = BPB_ResvdSecCnt + ( BPB_NumFATs * BPB_FATSz16 ); (eq. 3)
A partir do primeiro cluster de um arquivo pode ser calculado o setor onde este arquivo está
localizado, conforme fórmula apresentada na eq. 3.
ThisFATSecNum = BPB_ResevdSecCnt + (( DIR_FstClusLO * 2 ) / BPB_BytsPerSec ); (eq. 3)
Os demais setores, são a seqüência dos arquivos que devem ser lidos segundo o tamanho do
arquivo.
2.9 Qualidade da Energia Elétrica
Qualidade da energia elétrica representa uma série de fatores técnicos relacionados à tensão,
corrente e freqüência fornecida ao consumidor final. O termo “qualidade da energia” pode ser
visto também como a preservação de padrões previamente estabelecidos por normas técnicas
vigente no país.
Para um bom funcionamento dos equipamentos eletroeletrônicos, estas normas abrangidas pelo
termo qualidade da energia, devem ser minuciosamente respeitadas, já que estes equipamentos
foram projetados seguindo limites estabelecidos nas mesmas normas. A não preservação destas
pode danificá-los, em especial os aparelhos mais sofisticados e conseqüentemente os mais caros.
Entretanto, não são só os aparelhos mais avançados tecnologicamente sofrem com uma possível
queda de qualidade da energia elétrica; equipamentos de maior potência que exigem grandes
correntes, também podem ser danificados por uma rede elétrica de baixa qualidade, isso porque
muitas vezes, podem estar consumindo energia elétrica de forma ineficiente diminuindo a sua
vida útil (ALDABÓ, 2001).
2.9.1 Distúrbios de Alta Freqüência na Rede Elétrica
Estes distúrbios são muito comuns, e são os mais visíveis na rede elétrica em dias de tempestade,
isso porque, os raios, são na maiorias das vezes os grandes causadores de danos nos
equipamentos elétricos. E uma queda de um raio sobre a rede elétrica ou nas proximidades
fatalmente vai provocar um transiente, que acaba danificando aparelhos mais sensíveis, como
telefones sem fio e fax modems.
24
Os distúrbios de alta freqüência são eventos que ocorrem na energia elétrica em um tempo menor
que 16 ms, ou seja, numa freqüência superior à freqüência fundamental de 60Hz. Estes
distúrbios na maioria das vezes não provocam uma reação imediata nos equipamentos elétricos
porém, dependendo da sua intensidade ou permanência podem provocar um mau funcionamento
de um equipamento ou no pior caso danificá-lo (ALDABÓ, 2001).
Os distúrbios de alta freqüência podem ser classificados em quatro grupos (ALDABÓ, 2001):
Impulso Unidirecional
Impulso Oscilatório
Eventos Repetitivos
Eventos de Modo Normal e Comum.
Os impulsos unidirecionais são transientes em somente uma polaridade, e oscilatórios são
impulsos que afetam as duas polaridades, e não são cíclicos (Figura 7).
Figura 7 - Impulsos unidirecionais Fonte: ENGECOMP Tecnologia em Automação e Controle Ltda.
Os eventos repetitivos são também impulsos, porém possuem uma freqüência de repetição
constante. Normalmente, este tipo de evento é causado por equipamentos que fazem
chaveamento de alta freqüência na rede, como por exemplo retificadores chaveados com SCRs
(Figura 9), que causam pequenos picos sobre a senóide original da rede elétrica (HAFNER,
2005).
25
Figura 8 – Transientes Fonte: ENGECOMP Tecnologia em Automação e Controle Ltda.
Os eventos de modo normal, ocorrem sobre fase-terra simultaneamente, por isso dificilmente
causa maiores danos, já que os equipamentos elétricos utilizam o terra como referencial
(ALDABÓ, 2001).
2.9.2 Harmônicos e Distorções da forma de onda
A palavra ‘harmônico’ foi originalmente definida em acústica, significando a vibração de um fio
ou coluna de ar com freqüências múltiplas a freqüência fundamental provocando um ruído
sonoro, afetando a qualidade do som resultante. Este mesmo fenômeno comum no som é válido
também para ondas eletro-magnéticas (ALDABÓ, 2001).
Uma rede elétrica de corrente CA, precisa necessariamente fornecer uma tensão puramente
senoidal, que de fato acontece quando a carga sobre esta tensão é linear, porém para cargas não
lineares normalmente esta onda que deveria ser puramente senoidal passa a sofrer deformações
que geram harmônicas sobre a freqüência fundamental da rede (ALDABÓ, 2001).
Como qualquer sinal periódico pode ser representado como um somatório de senóides, um sinal
com uma senóide pura é representada por somente esta senóide, já um sinal senoidal deformado
é representado por um somatório de várias senóides de freqüências diferentes múltiplas da
freqüência fundamental; estas senóides adicionais causadas pelas distorções diminuem a
eficiência dos equipamentos (ALDABÓ, 2001).
Os harmônicos ímpares, ou seja, múltiplos ímpares da freqüência fundamental, prevalecem sobre
os pares. No caso da freqüência fundamental de 60Hz, são harmônicos de terceira ordem: 180Hz,
quinta: 300Hz, sétima: 420Hz, e assim por diante. Estes harmônicos causam problemas em
equipamentos que trabalham diretamente com a onda senoidal, como por exemplo, motores; os
harmônicos podem provocar uma perda do desempenho nestes motores, e até uma degradação de
sua estrutura, já que estes foram projetados para trabalhar com uma tensão puramente senoidal
(ALDABÓ, 2001).
26
A norma IEEE 519 (controle de harmônicos em sistemas elétricos) especifica o limite de 25%
para harmônicos de ordem par e proíbe o uso de conversores meia-onda para evitar aparecimento
de tensão CC.
Na Figura 9 e Figura 10 pode-se notar que a onda deformada na primeira figura, na verdade pode
ser representada como a soma de duas senóides, sendo que a segunda tem a freqüência cinco
vezes maior que a fundamental; em equipamentos que trabalham com a senóide fundamental,
estaria perdendo parte da sua eficiência, já que parte da energia estaria em uma onda que o
equipamento não aproveita (HAFNER, 2005).
Figura 9 - Sinal distorcido Fonte: ENGECOMP Tecnologia em Automação e Controle Ltda.
Figura 10 - Representação da distorção por duas senóides Fonte: ENGECOMP Tecnologia em Automação e Controle Ltda.
Outra forma de distorções da forma de onda, é o ‘DC offset’ da tensão, ou seja, neste caso a
forma da senóide não é afetada, porém o eixo ‘x’ da senóide será deslocado parcialmente para
cima ou para baixo, resultando em um sinal DC sobre a senóide. Este tipo de deformação não
27
causa muitos problemas, quando este deslocamento é bem reduzido, porém pequenas tensões
(carcaça-terra) podem surgir no equipamento, podendo danificar alguns componentes
(ALDABÓ, 2001).
2.9.3 Sags e swells
Os eventos de tensão são variações de tensão que ocorrem da faixa de freqüência normal da rede
(60Hz). Algumas definições da IEEE 1159-1995 (Práticas recomendadas na monitoração da
qualidade da energia elétrica) definem sag e swell (ALDABÓ, 2001):
Um sag é o decréscimo entre 0,1 e 0,9 por unidade de tensão normal (pu) ou corrente
rms, com o tempo de duração entre 0,5 ciclos a 1 minuto.
Um swell é o aumento entre 1,1pu e 1,8pu na tensão ou corrente rms, com o tempo de
duração entre 0,5 ciclos a 1 minuto.
Estas mesmas definições classificam estes tempos de duração em três categorias: instantâneo,
momentâneo e temporário. Conforme a Tabela 2, pode-se notar que variações com maior
duração, possuem limite de amplitude mais limitado.
As normas ANSI C84.1-1989 (Utility Power Profile) e CBEMA (Computer and Business
Equipment Manufacturers Association), relacionam limites de amplitude e tempo desses eventos
(ALDABÓ, 2001):
Tabela 2 – Classificação CEBEMA
Duração (ms) Limites de amplitude
8 - 50 -30%; 20%
50 – 500 -20%; 15%
> 500 ±5% (residencial); 10% (industrial)
Normalmente sags são causados quando cargas pesadas, tais como motores, são acionadas e
drenam grandes quantidades de corrente por um curto período. Swell normalmente é causado
pelo desligamento de cargas pesadas, que provocam um aumento da tensão por um curto período
(ALDABÓ, 2001).
A Tabela 3 classifica todos os possíveis distúrbios que um analisador de qualidade pode
monitorar:
28
Tabela 3 – Classificação dos distúrbios
Duração (ms) Espectro Duração Limites de
amplitude
Transiente
Impulsivo
Nanosegundo 5 ns < 50 ns
Microsegundo 1 µs 50 ns – 1 ms
Milisegundo 0.1 ms > 1 ms
Oscilatório
Baixa freqüência < 5 kHz 0,3 – 50 ms 0 – 4 pu
Média freqüência 5 – 500 kHz 20 µs 0 – 8 pu
Alta freqüência 0,5 - MHz 5 µs 0 – 4 pu
Variação de curta duração
Instantânea
Sag 0,5 – 30 ciclos 0,1 – 0,9 pu
Swell 0,5 – 30 ciclos 1,1 – 1,8 pu
Momentânea
Interrupção 0,5 ciclos – 3s < 0,1 pu
Sag 30 ciclos – 3s 0,1 – 0,9 pu
Swell 3s – 1 min 1,1 – 1,2 pu
Temporária
Interrupção 3s – 1 min < 0,1 pu
Sag 3s – 1 min 0,1 – 0,9 pu
Swell 3s – 1 min 1,1 – 1,2 pu
Variação de longa duração
Interrupção sustentada > 1 min < 0,8 pu
Subtensão > 1 min 0,8 – 0,9 pu
Sobretensão > 1 min 1,1 – 1,2 pu
Desequilíbrio de tensão Estado estacionário 0,5 – 2%
Distorção na forma de onda
DC Offset Estado estacionário 0 – 0,1%
Harmônicas Estado estacionário 0 – 20%
Interharmônicas 0 – 6 kHz Estado estacionário 0 – 2%
Fonte: (ALBADÓ, 2001).
29
CAPÍTULO 3 - ESPECIFICAÇÃO DO PROJETO
Considerando vários fatores de custo e demanda, este projeto têm como alvo ser uma ferramenta
de análise da qualidade da energia elétrica para instalações elétricas de baixa tensão
monofásicas, visando então como principais ambientes de aplicação: Instalações elétricas
residenciais, comerciais ou pequenas indústrias que possuem ligação monofásica com a rede
elétrica pública, com uma tensão nominal de 127V/60Hz e que necessitem monitorar
equipamentos que drenem no máximo 60A de corrente.
Partindo do escopo básico afirmado acima, o projeto pode ser dividido em três partes: kit de
coleta de dados, dispositivo de armazenamento e software de pós-processamento seguindo o
fluxo da Figura 11.
O kit de coleta de dados tem como principal objetivo amostrar valores de tensão e corrente da
rede elétrica a armazená-los no dispositivo de memória.
O dispositivo de armazenamento, tem como objetivo armazenar as informações coletadas pelo
kit de coleta de dados de forma não volátil, ou seja, é capaz de armazenar esta informação sem a
necessidade de alimentação elétrica para que possa ser desacoplado do kit de coleta de dados e
possa ser acoplado a um leitor comercial de cartões de memória para PC.
O software de pós-processamento tem o objetivo de converter a informação digital armazenada
no dispositivo de armazenamento, em informação gerencial para que um técnico possa montar
um relatório sobre a qualidade da rede elétrica durante o período de monitoramento.
Amostra dados deCorrente e Tensão Kit de Coleta
de Dados
Armazena os dadoscoletados no período
O software de pós-processamento coleta os dados.
Figura 11 – Fluxo geral do sistema
30
Os principais parâmetros a serem medidos para definir a qualidade da energia elétrica devem ser:
monitoramento de quedas no fornecimento, monitoramento do sinal senoidal da rede
identificando sobre-tensão, sub-tensão, oscilação da tensão, transitórios, freqüência fundamental
do sinal e amplitude de freqüências harmônicas. Estes parâmetros são todos, em essência, uma
análise do sinal senoidal que a rede elétrica produz. Para que este sinal possa ser analisado
computacionalmente, inicialmente é necessário converter este sinal de tensão/corrente para um
sinal digital, ou seja, os níveis de tensão/corrente devem ser discretizados e armazenados
digitalmente em seqüência em uma memória.
Para definir o intervalo de amostra adequado para a análise dos parâmetros citados, deve-se
considerar que no Brasil as concessionárias distribuidoras de energia elétrica, devem distribuir na
rede elétrica uma tensão alternada a uma freqüência de 60Hz. Para um analisador de qualidade
da energia no Brasil esta freqüência deve ser adotada como freqüência fundamental. Para que
sejam coletadas informações até a 15ª harmônica da freqüência fundamental, a freqüência de
amostra deve ser de 2kHz já que são feitas duas amostras, uma de tensão e outra de corrente
alternadamente.
Partindo de uma freqüência de amostra de 2kHz, é possível detectar uma variação com uma
precisão de aproximadamente 6,6% na freqüência fundamental de 60Hz, também é possível a
detecção de transitórios que tenham o período total de no mínimo 1ms, porém por motivos de
custo e tempo, este projeto não prevê a detecção de transitórios.
Para definir os limites de tensão deste projeto, deve-se levar em conta que a rede elétrica gera um
sinal senoidal de 127Vrms, ou seja 180Vp, ou 360 Vpp, mas segundo a resolução 505:2001 da
ANEEL, esta tensão poderá variar de 109Vrms a 140Vrms em caso de uma rede precária; então
considerando 140Vrms temos aproximadamente 400Vpp como fundo de escala para as medidas.
Um A/D de 12 bits é capaz de amostrar 4096 sub-divisões de tensão. Se for considerado o fundo
de escala calculado de 400 V, a precisão das medidas de tensão será em torno de 100mV para um
A/D de 12bits. Segundo definições da IEEE 1159:1995, a menor unidade de variação da tensão a
ser medida em um analisador de qualidade da energia deve ser de 0,1 unidade de tensão nominal
(0,1 pu), como a unidade de tensão nominal utilizada é Volts, então 0,1 pu de em volt, equivale a
100mV, portanto um A/D de 12 bits com fundo de escala de 400V, possui a resolução
necessária.
Para definir o limite de corrente do projeto, foram levados em conta os limites de corrente e
resposta do sensor utilizado, considerando que o projeto visa coletar informações de corrente
sem influenciar o equipamento monitorado, então um sensor de efeito hall de laço aberto é a
melhor opção para medir a corrente sem influenciar o equipamento medido. Para uma boa
31
precisão na medida da corrente, porém sem onerar o custo do projeto, foi selecionado um sensor
de efeito hall de laço aberto, sensível a uma corrente até 60A.
O condutor utilizado para drenar a corrente para o equipamento a ser monitorado deve ter uma
seção transversal de no mínimo 4mm, isso para suportar uma corrente de 60ª; e como o sensor
utilizado possui o espaço onde para o condutor limitado, somente duas voltas foram utilizadas,
ficando então uma precisão aparente de 8mA e uma corrente máxima de 60A sobre o condutor.
Porém ainda deve ser levado em consideração o conversor A/D utilizado, antes de definir a
definição real da corrente, então como o AD é capaz de converter dados com uma precisão de
12 bits, possibilitando 4096 sub-divisões de corrente, desta forma, considerando a faixa de
monitoramento de 60A, sendo a precisão de corrente real de 15mA.
Para armazenar os dados amostrados de tensão e corrente, deve-se considerar que os mesmos são
coletados aos pares de 12 bits (corrente+tensão), somados então são 3 bytes por amostra. Como
serão feitas 2000 amostras por segundo, pode-se chegar ao cálculo de 6kB de dados por segundo,
360kB por minuto e 21,6MB por hora. Para armazenar estes dados, um cartão de memória de
1GB é o dispositivo mais adequado, onde poderá ser armazenado até 46 horas de amostras.
Porém é importante frisar que uma perda de aproximadamente 5% do espaço deve ser
considerada. Isso porque, como o sistema de arquivos utiliza várias estruturas de controle, elas
acabam utilizando uma certa parte do espaço dos dados. Desta forma, um cartão de 1GB na
verdade com uma margem de erro pode armazenar até 42 horas de amostras.
Para o armazenamento simplificado dos dados de amostra no cartão de memória, foi utilizado o
sistema de arquivo FAT16, com este sistema de arquivos é possível utilizar cartões de memória
de até 2GB. A forma de agrupamento dos dados é feita separando-se um arquivo por minuto,
contendo 360kB de amostra, deixando a lista de arquivos bem estruturada.
Por fim, um software de pós-processamento realiza a leitura dos arquivos armazenados no cartão
salvando estes dados de forma estruturada em um banco de dados pelo software de pós-
processamento. A partir dos dados já armazenados no banco de dados, o software de pós-
processamento pode exibir informações gerenciais sobre a qualidade da energia elétrica.
O software de pós-processamento possui as seguintes funções:
Possibilidade de selecionar o período de visualização por data e hora da coleta das
amostras, inclusive com a possibilidade de selecionar várias amostras simultâneas.
Gráfico de visualização da tensão no tempo.
Gráfico de visualização da corrente no tempo.
Gráfico de visualização da potência efetiva no tempo.
Gráfico das freqüências harmônicas utilizando-se de uma FFT.
32
Relatórios gerais e de qualidade da energia:
o Potência total consumida no período.
o Número de interrupções no período.
o Número de variações de curta duração (Interrupções, Sags e Swells) no
período classificadas em Instantânea, Momentânea e Temporária.
o Número de variações de longa duração no período, classificadas em:
Interrupção sustentada, Subtensão e Sobretensão.
33
3.1 Valores Absolutos do Projeto
Faixa de medição de corrente: 0A - 60A em CA ou CC.
Resolução de medição de corrente: 15 mA.
Faixa de medição de tensão: -200V a +200V
Resolução de medição de tensão: 100 mV.
Taxa de amostragem da coleta de tensão: 1kHz.
Taxa de amostragem da coleta de corrente: 1kHz.
Capacidade de armazenamento contínuo: Até 84 Horas com um cartão de 2 GB.
34
CAPÍTULO 4 - DESENVOLVIMENTO E IMPLEMENTAÇÃO
4.1 Descrição Geral dos Módulos:
O projeto é composto de três módulos com responsabilidades específicas:
Módulo kit de coleta de dados: Seu objetivo é converter os dados brutos de tensão
e corrente em informações digitais.
Módulo dispositivo de armazenamento: Seu objetivo é armazenar as informações
digitais por um período adequado e possibilitar o envio dessas informações ao PC.
Módulo software de pós-processamento: Seu objetivo é ler as informações digitais
armazenadas transformá-las em informações gerenciais através de informações
textuais e gráficos para dar o suporte há um técnico sobre a qualidade da energia
elétrica monitorada.
4.2 Projeto do Hardware
O kit de coleta de dados possui basicamente cinco interfaces externas (Figura 12).
A primeira interface é a entrada do sistema. O kit possui um cabo de aproximadamente um metro
sendo que uma das pontas é ligada diretamente ao kit e a outra tem um plug macho para ser
conectado à rede elétrica.
A segunda interface é uma tomada do tipo fêmea (2P+T) embutida no encapsulamento do kit,
onde poderá ser ligado qualquer aparelho que se necessite monitorar a corrente.
A terceira interface é um socket para cartão SD onde é colocado o cartão de memória para
armazenamento das informações.
A quarta interface é um painel com:
2 leds.
o Vermelho: Indica que o kit está ligado.
o Verde: Indica que o kit está monitorando a energia elétrica.
Chave para ligar e desligar o kit.
35
Botão para parar o monitoramento sem a necessidade de desligar o kit.
A quinta interface é um compartimento onde é armazenada uma bateria de 3 volts que mantém o
kit funcionando mesmo com a queda do fornecimento de energia elétrica da rede.
SPI
Figura 12 – Interfaces Externas
Para realizar a coleta das informações de corrente do equipamento monitorado, o kit que possui
um transdutor de efeito hall que converte a informação de corrente em uma tensão proporcional
de referência. O kit que também possui um circuito atenuador de tensão, amostra a tensão da
rede elétrica e a converte em uma tensão proporcional de referência. Partindo dessas duas
tensões de referência, um circuito auxiliar adapta estas tensões de referência ao
microcontrolador que por sua vez converte estas tensões em informação digital através de um
conversor A/D interno. Com os valores de tensão e corrente já em formato digital o
microcontrolador grava estas informações em arquivos no cartão SD.
O kit de coleta é composto por sete sub-blocos, conforme pode ser visto na Figura 13:
Fonte de Alimentação: Responsável por prover alimentação CC para os demais
blocos.
Captura de Tensão: Barramento com isolamento superior a 200V e transformador
para uma tensão de 1.1Vpp de saída.
Sensor de Corrente: Transdutor de efeito Hall, que converte a corrente passante
pelo condutor em um sinal de tensão de 0-12V.
36
Circuito adaptador do sinal de corrente para o A/D: Casador de impedância e
redutor do sinal para A/D.
Circuito adaptador do sinal de tensão para o A/D: Casador de impedância,
grampeador e protetor do sinal para A/D.
Microcontrolador C8051F410 com A/D interno de 12 bits: Núcleo do Kit, com o
firmware controlador e o conversor A/D.
Interface com o cartão de memória SD: Socket para cartão SD com alimentação e
pinos SPI devidamente conectados aos ports do microcontrolador.
Figura 13 – Sub-blocos do Kit de Coleta
Na montagem da fonte de alimentação, utiliza-se o esquema de fonte regulada; neste esquema a
fonte é composta por um transformador (TRAN), um retificador de onda completa (PONTE),
dois capacitores (C1 e C2) e reguladores de tensão (U1, U2, U3 e U4), como pode ser visto na
Figura 14.
37
Figura 14 - Esquema da Fonte de Alimentação
Na montagem do adaptador de sinal de tensão, um divisor de tensão com a relação aproximada
de 110:1 reduz a tensão alternada de entrada, e um transformador de áudio realiza o isolamento
galvânico. Na saída do divisor, um amplificador operacional (U1) montado sob a configuração
de diferenciador realiza o acoplamento de terra entre a tensão alternada de entrada e a tensão
contínua de alimentação do circuito. Um novo amplificador operacional (U2) também montado
sobre a configuração de diferenciador, captura a saída do primeiro amplificador e realiza o
grampeamento da tensão. Por fim, dois diodos realizam uma proteção adicional contra
sobretensão. O esquema completo pode ser visto na Figura 15.
38
Figura 15 - Esquema do Redutor de Tensão e Adaptador de Sinal
Na montagem do redutor de tensão para o sensor de corrente, utiliza-se um amplificador
operacional (U1) na configuração inversor, com um ganho aproximado de 0,18; então para
novamente inverter o sinal e deixá-lo na fase original, um novo amplificador operacional (U2)
montado na configuração inversor é colocado na saída do primeiro amplificador. Por fim, dois
diodos realizam uma proteção adicional contra sobretensão. O esquema completo pode ser visto
na Figura 16.
Figura 16 - Esquema do Redutor de Tensão para o Sensor de Corrente
Neste projeto, é utilizado o kit de desenvolvimento C8051F410-DK, na Silicon Labs, que possui
um microcontrolador C8051F410 embarcado (Figura 17). O conector J2 do kit é utilizado para a
entrada do sinal tensão e corrente; e o conector J1 é utilizado para a comunicação com o
dispositivo de armazenamento através da interface SPI de quatro fios (Figura 18).
39
Figura 17 - Kit de desenvolvimento do microcontrolador
Figura 18 – Esquema da Interface com o cartão de memória SD
40
O dispositivo de armazenamento tem um sistema de arquivos FAT16 onde serão armazenados os
arquivos com informações das amostras, cada arquivo possui os dados de amostra de um período
de 1 hora. O dispositivo de armazenamento tem uma memória não volátil, ou seja, os dados
permanecem mesmo com a retirada da alimentação do dispositivo. Portanto, após o final do
período monitoramento, o usuário poderá retirá-lo do kit e conectá-lo em um leitor acoplado a
um PC.
A Figura 19 descreve o fluxo de funcionamento do kit de coleta de dados.
InicioLigar a Tomada e ajustar a chave liga para ‘on’.
O LED de ‘Power’ esta aceso?
Não
Colocar o cartão de memória
Sim
Ligar o equipamento a ser monitorado no kit.
Será monitorada corrente? Sim
Não
O LED ‘Busy’ esta aceso ou piscando?
Verificar o cartão de memória
NãoSim
O cartão de memória está
cheio.Sim
O Kit está monitorando normalmente
Não
Sim
Retirar o cartão para descarga dos
dados
Fim
Gostaria de interromper o
monitoramento?
O LED ‘Busy’ esta piscando?
Não
O LED ‘Busy’ esta piscando?
Pressionar o botão ‘Stop’ Sim
Não
Anotar o horário com segundos.
Figura 19 - Diagrama de Funcionamento do Kit de Coleta de Dados
41
4.3 Desenvolvimento do Hardware
Para desenvolver o projeto, foi necessário montar seis circuitos para o controle do kit, o primeiro
é o circuito de aquisição dos dados de tensão (Figura 15). Estes circuito é composto de um
transformador de áudio (para trabalhar com alta freqüência) e um sub-circuito redutor de tensão
com amplificadores operacionais, responsável pelo condicionamento do sinal de tensão ao A/D.
O segundo é o circuito de aquisição dos dados de corrente (Figura 16). É composto de um sensor
de efeito Hall e um sub-circuito redutor de tensão com amplificadores operacionais responsável
pelo condicionamento do sinal de tensão ao A/D, proporcional à corrente medida. O quarto
circuito é o núcleo do kit, composto pelo microcontrolador com A/D. O quinto circuito , trata-se
de somente uma base e um socket onde um cartão de memória ficará alojado. O sexto circuito é a
fonte de alimentação do kit, composto por um transformador, uma ponte retificadora e
reguladores; é função deste circuito disponibilizar alimentação estabilizada com as seguintes
tensões: 3.3V, 5V, -5V e 12V.
Para desenhar e simular o funcionamento foi utilizado o software de simulação Proteus
(LABCENTER). Como circuito simulado no software, foram montados os protótipos dos
circuitos primeiro em protoboard, depois em placas padrão.
Utilizando o software de simulação que acompanha o microcontrolador foi implementado o
firmware do microcontrolador, este firmware possui instruções para coletar as informações
analógicas do circuito de aquisição e convertê-las em informação digital pronta para ser gravada
em uma memória.
Partindo do circuito de aquisição e o microcontrolador convertendo o sinal analógico em digital,
então foi montado o circuito do socket do cartão de memória, e ajustado os devidos pinos de
comunicação SPI, ficando o microcontrolador com a configuração de pinos demonstrada na
Tabela 4.
Tabela 4 – Pinos de entrada e saída do microcontrolador.
Pino
Microcontrolador
Tipo E/S,
Digital/Analógico/Clock.
Função
P1.6 Entrada - Analógico Entrada do sinal de tensão para o
A/D
P1.7 Entrada - Analógico Entrada do sinal de corrente para
o A/D
42
P0.0 Saída - Clock SPI – SCK
P0.1 Entrada - Digital SPI - MISO
P0.2 Saída - Digital SPI – MOSI
P0.3 Saída - Digital SPI – NSS
P2.1 Saída - Digital LED – BUSY
4.4 Requisitos do Software
Foram levantados os seguintes requisitos para o software de análise da qualidade da energia
elétrica:
Possibilidade de visualizar os dados de tensão e corrente coletados no cartão de memória
com definição de ciclo de onda.
Possibilidade de visualizar dados de coletas anteriores utilizando como filtro de data e
hora da coleta.
Possibilidade de processar os dados de tensão e corrente sobre uma Transformada de
Fourier.
Possibilidade de gerar um relatório com os dados de qualidade em vídeo e em folha
impressa.
Possibilidade de agrupar várias coletas em um único projeto para que se possa gerar
somente um relatório a partir de várias amostras.
43
4.5 Projeto do Software
Considerando os possíveis usuários pode-se levantar o caso de uso representado pela Figura 20.
Coleta dos Dados doCartão de Memória
Operador de Coleta
**
Visualiza/ImprimeRelatórios
Visualiza Gráficos
Técnico*
*
*
*Dados Indexados«uses»
«extends»
«uses»
Figura 20 - Caso de Uso do Software de Pós-processamento
A partir do caso de uso, podem ser vislumbradas três entidades: Relatório, Projeto e Dados de
Processamento; suas respectivas colunas e relacionamentos podem ser visualizados na Figura 21.
Figura 21 - Diagrama de Entidade e Relacionamento
44
Por fim a análise do software pode ser concluída, gerando o diagrama de classe visualizado na
Figura 22.
Figura 22 - Diagrama de Classe
45
4.6 Desenvolvimento do Software
Para desenvolver o software de pós-processamento foi utilizada a plataforma Java 5, utilizando a
IDE Eclipse para o desenvolvimento. O banco de dados utilizado foi o Apache/Derby, utilizando
o driver nativo JDBC para conectividade com o Java (DERBY, 2008).
A metodologia utilizada para a análise do software foi a Análise Orientada a Objeto, utilizando
partes da UML para documentar o software. A implementação segue o padrão MVC2 utilizando
o padrão DAO para a persistência dos objetos (MCCONNELL, 2005).
Segundo a metodologia de Análise Orientada a Objeto, primeiramente foram definidos os casos
de uso do sistema, então foram levantados os objetos do sistema, seus atributos e
relacionamentos. Após esta etapa foi feito então o diagrama completo de classes já com os
métodos de persistência. Levantado os objetos e atributos, então foi possível montar o diagrama
de entidade relacionamento para o banco de dados, com esta etapa concluída, foi criado o bando
de dados no SGDB e implementadas as telas e rotinas do sistema.
Para implementar o sistema, a primeira abordagem foi levantar os dados básicos comuns a todo o
sistema enquanto ele estiver rodando; com este levantamento, foi possível identificar que um
objeto “Projeto” necessita estar disponível em comum a todas as telas e objetos do sistema, por
isso chegou-se a conclusão que o sistema deverá bloquear as entradas até que um objeto
“Projeto” seja instanciado. Para isto, foi necessário criar uma tela para controle deste objeto.
Nesta tela são mostrados todos os objetos persistidos no banco de dados em forma de árvore.
Além de possibilitar a edição, inclusão e exclusão de projetos cadastrados, esta tela também
fornece um botão para que o usuário selecione o objeto corrente que será disponibilizado em
comum ao sistema.
Partindo do objeto “Projeto” previamente selecionado, então se torna possível importar os dados
de um cartão de memória. Para importar os dados, o usuário irá acessar a opção Importar dados
no menu e selecionar o caminho do diretório raiz do cartão, para então o sistema importar os
dados para o banco de dados.
Após o projeto selecionado e os dados importados, o usuário, através do menu pode selecionar a
opção visualizar os gráficos, onde uma pequena tela irá perguntar o período de amostra, ou o
usuário poderá gerar um relatório de qualidade.
Caso o usuário opte por visualizar os gráficos ele poderá ver 3 tipos de gráficos: gráfico de
tensão/corrente, gráfico de potência e gráfico FFT. Todos estes gráficos possuem controles na
tela para deslocamento no tempo e zoom.
46
Caso o usuário opte por gerar um relatório, o sistema irá processar todos os dados do projeto
selecionado e gerar um relatório de qualidade visual na tela, possibilitando ao usuário imprimir
posteriormente.
47
CAPÍTULO 5 - VALIDAÇÃO E RESULTADOS
Para validar o projeto, os seguintes requisitos foram inicialmente definidos:
1. Ser um equipamento portável e autônomo, que possibilite o monitoramento sem a
intervenção humana por longos períodos de horas.
2. Ser um equipamento que não influencie o ambiente onde será operado.
3. Armazenar os dados para um pós processamento em um dispositivo de memória
não volátil.
4. Analisar a qualidade da energia elétrica de uma instalação monofásica com tensão
nominal de 127V a 60Hz.
5. Monitorar a corrente de um equipamento monofásico que drene no máximo 60A.
6. Ter um software que faça o pós-processamento dos dados armazenados
previamente pelo kit de coleta gerando um gráfico de amplitudes FFT.
7. Ter um software que monte um relatório de qualidade completo com todos os
dados de distúrbios que a rede elétrica pode ser sofrido.
Agora, para validar o projeto, foram levantados os seguintes requisitos, sendo que estes
necessariamente necessitam ser atendidos:
5.1 Requisito 1
VALIDAÇÃO: Possuir um invólucro de fácil manuseio e que possua a mínima segurança para
que fique instalado sem a necessidade de um técnico supervisionar durante o período de coleta.
RESULTADO: Como pode ser observado na Figura 23, o invólucro para o projeto cumpre este
requisito.
48
Figura 23 - Invólucro
5.2 Requisito 2
VALIDAÇÃO: Não consumir de forma excessiva, e também não influenciar o equipamento que
está sendo monitorado a corrente.
RESULTADO: Com o auxílio de um amperímetro e um osciloscópio, foi observado que o
consumo de 330mA em pleno funcionamento, porém foi observado uma sutil distorção na onda
senoidal da rede elétrica. Para que este problema seja resolvido seria necessária a confecção de
um transformador específico para esta aplicação, que acabou não sendo viável para este projeto;
ficando como sugestão de aperfeiçoamento futuro.
5.3 Requisito 3
VALIDAÇÃO: O projeto deve armazenar os dados em um cartão de memória flash.
RESULTADO: O microcontrolador possui um firmware que implementa a FAT 16, com isso
tornou-se necessário implementar um dispositivo de segurança no firmware. Este dispositivo
armazena uma das FATs em uma memória mantida por bateria. Esta memória mantida mesmo
sem alimentação, será o marcador para a reconstrução da FAT16 se necessário. Para um maior
controle, o nome do arquivo possui os 8 dígitos menos significativos do timestamp do primeiro
registro contido, na Figura 24 pode-se observar os arquivos armazenados pelo kit.
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Figura 24 – Arquivos armazenados no cartão SD
5.4 Requisito 4
VALIDAÇÃO: Realizar medidas de tensão em uma rede elétrica, sem qualquer auxílio de fonte
estabilizadora externa.
RESULTADO: O gráfico superior da Figura 25 descreve uma senóide que representa a tensão
medida pelo kit, esta que foi coletada sem que o kit esteja ligado a qualquer fonte estabilizadora
externa.
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Figura 25 – Dados de tensão coletados pelo kit de coleta
5.5 Requisito 5
VALIDAÇÃO: Realizar o monitoramento da corrente em um equipamento qualquer.
RESULTADO: Para realizar esta validação, foi utilizado um microcomputador e um monitor
como equipamentos de consumo, estes por possuírem fontes chaveadas deveriam apresentar uma
onda não senoidal na corrente. Após realizada as medidas, foi notado que o monitoramento de
corrente está funcionando adequadamente, como ilustra o gráfico inferior da Figura 26, onde
podemos notar picos de corrente momentâneos típicos de fontes chaveadas.
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Figura 26 – Monitoramento da corrente pelo kit de coleta
5.6 Requisito 6
VALIDAÇÃO: Realizar a transformada de Fourier sobre o sinal de entrada.
RESULTADO: Para realizar a transformada sobre o sinal, foi utilizada uma biblioteca externa de
Michael Thomas Flanagan, este algoritmo provou ser rápido o suficiente para que o gráfico de
FFT se torne interativo. Na Figura 27 é demonstrada a FFT de uma onda quadrada gerada por
um gerador de função. Por ser uma onda quadrada, as harmônicas ímpares devem ter uma
amplitude razoável frente a freqüência fundamental.
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Figura 27 – FFT de uma onda quadrada
5.7 Requisito 7
VALIDAÇÃO: Montar um relatório completo com todos os itens de distúrbios da rede elétrica
que possam ser medidos, permitir ao usuário visualizar e imprimir.
RESULTADO: Para montar este relatório foi utilizado o iReport para fazer o design do relatório
e o JasperReport Runtime exibir o relatório interno ao software de análise da qualidade da
energia elétrica. Na Figura 28 é mostrado um relatório gerado no software de análise da
qualidade da energia elétrica, também é possível notar um botão para impressão do mesmo.
Na parte superior do relatório observa-se dados do projeto para uma melhor organização do
usuário. Na parte central é possível observar o consumo do equipamento monitorado, além dos
dados de qualidade de energia segundo a tabela CEBEMA.
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CAPÍTULO 6 - CONCLUSÃO
Com os resultados obtidos com este projeto, conclui-se que a qualidade da energia elétrica
entregue pelas concessionárias pode ser considerada de boa qualidade, porém é importante frisar
que muitos distúrbios elétricos podem ser causados por problemas nas instalações internas.
Algumas provas podem ser vistas indicando que a maioria dos problemas encontrados é em
instalações internas; isto porque os distúrbios que mais ocorrem são Sags e Swells Instantâneos
ou Temporários, indicando chaveamento de cargas relativamente altas sobre uma fiação não
adequada.
Além das conclusões sobre o centro dos problemas de qualidade da energia elétrica, este projeto
auxiliou no conhecimento de circuitos que façam a interface CA->CC, também mostrou que a
integração de estruturas simples como AmpOps a estruturas modernas e sofisticadas como um
cartão de memória pode ser viável sem a necessidade de uma processo oneroso de pesquisa e
implementação.
Por fim este projeto abre as portas para a utilização desta tecnologia inovadora de memórias
flash, que estão sendo largamente utilizadas em outros equipamentos, podendo se tornar como
neste projeto, uma ponte de dados entre um computador e qualquer outro dispositivo.
Fica como desafio ao aperfeiçoamento deste projeto, o desenvolvimento de um circuito Sample-
Holding que capture os transientes não capturados neste projeto, também fica como desafio a
miniaturização do mesmo, visto que mesmo sendo de fácil locomoção, o tamanho e o peso do kit
de coleta podem atrapalhar a utilização contínua e sistemática do kit.
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CAPÍTULO 7 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Qualidade de Energia Usando Computação Reconfigurável por Hardware. São Luiz,
2005. Artigo Científico.
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Novembro de 2001. Estabelece de forma atualizada e consolidada, as disposições relativas à
conformidade dos níveis de tensão de energia elétrica em regime permanente.
ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica, Resolução ANEEL nº 456 de 29 de
Novembro de 2000. Estabelece, de forma atualizada e consolidada, as Condições Gerais de
Fornecimento de Energia Elétrica.
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas, NBR 5410 de 30 de Setembro de 2004.
Instalações Elétricas de Baixa Tensão.
56
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Energia Eléctrica Baseado em PC e Desenvolvido em LABVIEW. Bragança/Portugal,
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