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Anais do V Simpósio Brasileiro de Sistemas Elétricos, Foz do Iguaçu – PR, Brasil. 22-25/04/2014 ISSN 2177-6164 Desenvolvimento de um Sistema Microcontrolado de Análise da Qualidade da Energia Elétrica Ronimar Espindula Volkers Departamento de Engenharia Elétrica Universidade Federal do Espírito Santo Vitória, Brasil [email protected] Anselmo Frizera Neto Departamento de Engenharia Elétrica Universidade Federal do Espírito Santo Vitória, Brasil [email protected] Lucas Frizera Encarnação Departamento de Engenharia Elétrica Universidade Federal do Espírito Santo Vitória, Brasil [email protected] Resumo – Neste artigo é proposto um método de desenvolvimento de um analisador de qualidade de energia elétrica de baixo custo utilizando microcontroladores. A metodologia de aquisição e processamento dos dados é baseada na normatização brasileira sobre qualidade de energia, o PRODIST, e atende a todos os requisitos necessários para um analisador de qualidade de energia. Desta forma, com um custo de aproximadamente R$300, desenvolveu-se um dispositivo preciso e confiável, obtendo erro médio de 0,07% na medição do THD de tensão. Palavras Chave — Qualidade de energia elétrica, Sistema de medição, Microcontroladores, PRODIST. I. INTRODUÇÃO Os medidores de qualidade de energia elétrica são equipamentos essenciais para o melhor aproveitamento das fontes de energia disponíveis, tanto as renováveis quanto as não renováveis [1], [2]. Com as recentes resoluções da Agência Nacional de Energia Elétrica, a ANEEL [3], tem-se observado um aumento na preocupação com o desperdício de energia relacionado à má eficiência das instalações, criando assim, um cenário favorável para o desenvolvimento de pesquisas e, aparelhos voltados para a análise e solução de problemas de qualidade de energia elétrica. Apesar do cenário proporcionar uma condição favorável ao desenvolvimento da tecnologia nacional nesse ramo da Engenharia Elétrica, observa-se que o Brasil, em um contexto geral, ainda está distante dos resultados alcançados por grandes centros de pesquisas internacionais. Atualmente, grande parte dos medidores de qualidade de energia utilizados no Brasil são fabricados com tecnologia estrangeira, embora internamente existam profissionais capacitados para desenvolverem pesquisas com excelentes resultados. Como resultado, têm-se o aumento do custo agregado à um dispositivo com essas características (que normalmente é importado) e, a consequente baixa utilização dos mesmos nos diversos setores de distribuição de energia elétrica. Com isso, muitas empresas e pessoas estão perdendo seus equipamentos eletrônicos como computadores, impressoras, geladeiras, fornos, freezers, mais rápido devido a não ciência da qualidade da energia que estão comprando da concessionária. Contudo, nem sempre a concessionária é responsável pela má qualidade da energia entregue ao usuário. O Engenheiro Eletricista Edson Martinho, autor do livro Distúrbios da Rede Elétrica [4] defende que a qualidade da energia é a compatibilidade entre a fonte de energia e o equipamento elétrico ligado a essa energia fornecida, ou seja, é a forma que a eletricidade encontra de atender às necessidades de quem a utiliza. Baseando-se nessa definição, observa-se que deve haver um compromisso entre o fornecedor e o usuário para que os padrões de qualidade impostos sejam obedecidos. A inserção de “poluidores de rede” degrada a forma de onda da tensão entregue pela concessionária, gerando distúrbios como harmônicas. Estas são geradas por dispositivos não lineares, encontrados em quase todos os produtos de automação, desde uma simples fonte CA/CC até um inversor de frequência, passando por controladores de velocidade, conversores de tensão, dentre outros. Nesse artigo, é proposto um modelo de um analisador de qualidade de energia elétrica de baixo custo, capaz de medir, com precisão, todos os distúrbios referenciados na norma nacional, abordados na seção II. Na seção III é apresentada o desenvolvimento do medidor proposto, e, na seção IV, os resultados alcançados. II. DISTÚRBIOS DA REDE ELÉTRICA E NORMATIZAÇÃO A Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) é o órgão responsável por regular e fiscalizar a produção, transmissão e comercialização de energia elétrica no Brasil. Com o intuito de apresentar uma metodologia clara sobre as definições de distribuição da energia elétrica, a ANEEL elaborou um conjunto de documentos, denominados Procedimentos de Distribuição (PRODIST), onde especificamente no Módulo 8 [3] é apresentado o conceito de qualidade de energia elétrica. Nesse módulo, os seguintes itens são utilizados para a definição desse conceito: a) Tensão em regime permanente: define o valor da tensão em um intervalo de tempo da leitura, onde não ocorrem distúrbios elétricos capazes de invalidar a leitura, definido como sendo de 10 (dez) minutos.

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Anais do V Simpósio Brasileiro de Sistemas Elétricos, Foz do Iguaçu – PR, Brasil. 22-25/04/2014 ISSN 2177-6164

Desenvolvimento de um Sistema Microcontrolado de Análise da Qualidade da Energia Elétrica

Ronimar Espindula Volkers Departamento de Engenharia Elétrica

Universidade Federal do Espírito Santo

Vitória, Brasil [email protected]

Anselmo Frizera Neto Departamento de Engenharia Elétrica

Universidade Federal do Espírito Santo

Vitória, Brasil [email protected]

Lucas Frizera Encarnação Departamento de Engenharia Elétrica

Universidade Federal do Espírito Santo

Vitória, Brasil [email protected]

Resumo – Neste artigo é proposto um método de desenvolvimento de um analisador de qualidade de energia elétrica de baixo custo utilizando microcontroladores. A metodologia de aquisição e processamento dos dados é baseada na normatização brasileira sobre qualidade de energia, o PRODIST, e atende a todos os requisitos necessários para um analisador de qualidade de energia. Desta forma, com um custo de aproximadamente R$300, desenvolveu-se um dispositivo preciso e confiável, obtendo erro médio de 0,07% na medição do THD de tensão.

Palavras Chave — Qualidade de energia elétrica, Sistema de medição, Microcontroladores, PRODIST.

I. INTRODUÇÃO

Os medidores de qualidade de energia elétrica são equipamentos essenciais para o melhor aproveitamento das fontes de energia disponíveis, tanto as renováveis quanto as não renováveis [1], [2]. Com as recentes resoluções da Agência Nacional de Energia Elétrica, a ANEEL [3], tem-se observado um aumento na preocupação com o desperdício de energia relacionado à má eficiência das instalações, criando assim, um cenário favorável para o desenvolvimento de pesquisas e, aparelhos voltados para a análise e solução de problemas de qualidade de energia elétrica.

Apesar do cenário proporcionar uma condição favorável ao desenvolvimento da tecnologia nacional nesse ramo da Engenharia Elétrica, observa-se que o Brasil, em um contexto geral, ainda está distante dos resultados alcançados por grandes centros de pesquisas internacionais. Atualmente, grande parte dos medidores de qualidade de energia utilizados no Brasil são fabricados com tecnologia estrangeira, embora internamente existam profissionais capacitados para desenvolverem pesquisas com excelentes resultados.

Como resultado, têm-se o aumento do custo agregado à um dispositivo com essas características (que normalmente é importado) e, a consequente baixa utilização dos mesmos nos diversos setores de distribuição de energia elétrica. Com isso, muitas empresas e pessoas estão perdendo seus equipamentos eletrônicos como computadores, impressoras, geladeiras, fornos, freezers, mais rápido devido a não ciência da qualidade da energia que estão comprando da concessionária.

Contudo, nem sempre a concessionária é responsável pela má qualidade da energia entregue ao usuário. O Engenheiro Eletricista Edson Martinho, autor do livro Distúrbios da Rede Elétrica [4] defende que a qualidade da energia é a compatibilidade entre a fonte de energia e o equipamento elétrico ligado a essa energia fornecida, ou seja, é a forma que a eletricidade encontra de atender às necessidades de quem a utiliza. Baseando-se nessa definição, observa-se que deve haver um compromisso entre o fornecedor e o usuário para que os padrões de qualidade impostos sejam obedecidos. A inserção de “poluidores de rede” degrada a forma de onda da tensão entregue pela concessionária, gerando distúrbios como harmônicas. Estas são geradas por dispositivos não lineares, encontrados em quase todos os produtos de automação, desde uma simples fonte CA/CC até um inversor de frequência, passando por controladores de velocidade, conversores de tensão, dentre outros.

Nesse artigo, é proposto um modelo de um analisador de qualidade de energia elétrica de baixo custo, capaz de medir, com precisão, todos os distúrbios referenciados na norma nacional, abordados na seção II.

Na seção III é apresentada o desenvolvimento do medidor proposto, e, na seção IV, os resultados alcançados.

II. DISTÚRBIOS DA REDE ELÉTRICA E NORMATIZAÇÃO

A Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) é o órgão responsável por regular e fiscalizar a produção, transmissão e comercialização de energia elétrica no Brasil. Com o intuito de apresentar uma metodologia clara sobre as definições de distribuição da energia elétrica, a ANEEL elaborou um conjunto de documentos, denominados Procedimentos de Distribuição (PRODIST), onde especificamente no Módulo 8 [3] é apresentado o conceito de qualidade de energia elétrica. Nesse módulo, os seguintes itens são utilizados para a definição desse conceito:

a) Tensão em regime permanente: define o valor da tensão em um intervalo de tempo da leitura, onde não ocorrem distúrbios elétricos capazes de invalidar a leitura, definido como sendo de 10 (dez) minutos.

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b) Fator de potência: razão entre a energia elétrica ativa e a raiz quadrada da soma dos quadrados das energias elétricas ativa e reativa, consumidas em um mesmo período especificado.

c) Harmônicos: são fenômenos associados com deformações nas formas de onda das tensões e correntes em relação à onda senoidal da frequência fundamental.

d) Desequilíbrio de tensão: desvio máximo da média das correntes ou tensões trifásicas, dividido pela média das correntes ou tensões trifásicas, expresso em percentual.

e) Flutuação de tensão: variação aleatória, repetitiva ou esporádica do valor eficaz da tensão..

f) Variação de tensão de curta duração (VTCD): Desvio significativo da amplitude do valor eficaz da tensão em intervalo de tempo compreendido entre 16,67ms (1 ciclo) e 3 (três) minutos.

g) Variação de frequência: fenômeno classificado por desvios do valor da frequência de oscilação da tensão.

Todos esses itens representam as ferramentas necessárias para a definição da qualidade do produto e, nesse caso, um medidor de qualidade de energia deve estar em acordo com os itens especificados anteriormente.

III. DESENVOLVIMENTO DO MEDIDOR

O medidor desenvolvido tem como objetivo o atendimento aos requisitos do PRODIST. Monitora em tempo real os principais indicadores de qualidade do produto e de qualidade de serviço, com o armazenamento local de informações em uma memória não-volátil. Ao mesmo tempo em que as informações são processadas pelo medidor, também são armazenadas as formas de onda da rede elétrica lidas diretamente do conversor AD, para posterior análise em um software computacional.

A. Hardware

O projeto do medidor foi idealizado para atender a uma instalação trifásica de baixa tensão tipo estrela aterrada, mas permite que sejam monitoradas instalações monofásicas ou bifásicas, com ou sem carga (nesses casos, o processamento do Fator de Desequilíbrio é automaticamente desabilitado). As conexões para medição são do tipo fase-neutro e a alimentação pode ser feita em 127 V ou 220 V. Sua tensão nominal de medição é de 127 Vrms, podendo suportar tensões de até 335 V de pico. O medidor também permite que sejam analisadas redes de altas-tensões, sendo necessário, neste caso, o uso de transformadores de potencial, de corrente e, a configuração das relações de transformação no software.

A Fig. 1 ilustra o diagrama de blocos do medidor desenvolvido.

A alimentação do medidor é feita através de uma fonte interna, que fornece energia para todo o conjunto, sendo necessária a alimentação da mesma por uma linha externa 127/220 V fase-neutro ou fase-fase.

As tensões das fases R, S e T e o sinal do sensor de corrente, que está configurado para analisar a fase S, são adequadas ao nível de funcionamento dos demais circuitos por meio do

circuito de adequação, onde o sinal é atenuado (ou amplificado no caso do sensor de corrente) e inserido o nível CC ao sinal, que corresponde à metade da tesão de referência do conversor AD do microcontrolador. O circuito de adequação desenvolvido baseia-se no circuito integrado MCP6004, da Microchip® [5].

Figura 1. Diagrama de blocos do medidor desenvolvido.

Para o circuito de adequação de corrente, foi utilizado o sensor SCT-013, da YHDC [6], do tipo não invasivo, ou seja, não é necessário abrir o circuito para conectá-lo à rede. Isso é uma grande vantagem, pois viabiliza a praticidade do circuito

O sensor SCT-013 possui uma relação de transformação de 100:0,05, ou seja, uma corrente de 100A no primário corresponde a uma corrente de 50mA no secundário, e uma não linearidade de ±3%. Trata-se um sensor de baixo custo, quando comparado aos sensores profissionais do mercado, que atende às especificações do medidor desenvolvido.

O bloco do filtro passa-baixas realiza a filtragem do sinal de frequências superiores a metade da frequência de amostragem, de modo a evitar o efeito conhecido como Aliasing. O tipo de filtro utilizado foi o Butterworth de 8ª ordem.

Após o sinal ser adequado e devidamente filtrado, ele pode ser enviado ao bloco dos microcontroladores que possuem conversor analógico-digital interno.

No bloco dos microcontroladores, os sinais, já digitalizados, são processados e salvos no dispositivo de armazenamento não-volátil. Paralelamente, existe um display de LCD onde é possível visualizar o resultado do processamento.

Todo o processamento dos dados, desde a aquisição até o armazenamento no dispositivo de memória não-volátil, é feito pela plataforma de desenvolvimento STM32F4Discovery que possui o microcontrolador STM32F407VGT6, fabricado pela STM Devices [7]. Essa plataforma de desenvolvimento é uma ferramenta com alto poder de processamento, podendo chegar a 168MIPS.

B. Software

O funcionamento do software do medidor desenvolvido obedece ao diagrama de blocos apresentado na Fig. 2.

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Figura 2. Fluxograma do software de processamento do medidor.

Inicialmente, é feita a configuração de todos os periféricos: timers, LEDS, canais de comunicação assíncrona para transferência de dados entre o microcontrolador e o display de LCD. Posteriormente, é feita a configuração do conversor AD do microcontrolador, utilizando o processo de interrupção por Acesso Direto à Memória, ou DMA. Esse método possibilita que o microcontrolador realize os cálculos em paralelo à aquisição de dados do conversor AD, aumentando a eficiência no processamento. Nesse método, os dados são diretamente convertidos e salvos em um vetor, sem que haja interferência no programa principal. Em conformidade como a norma do PRODIST, as tensões são amostradas simultaneamente. Em seguida, é feito a inicialização da porta USB do microcontrolador. Nesse ponto, é verificado a presença de um dispositivo de armazenamento em massa compatível, e caso seja encontrado, o medidor é iniciado. Caso não haja nenhum dispositivo conectado à porta USB do microcontrolador, o medidor permanece inoperante.

Após a inserção do pendrive, o medidor inicializa o processo de aquisição dos dados. Inicialmente, é feito o sincronismo da amostragem do conversor AD com a tensão da rede, verificando o momento em que a onda da tensão passa por zero. Posteriormente, é verificado se o buffer de armazenamento do controlador de DMA está cheio, indicando que foram amostradas todas as 2048 posições de cada fase e da corrente da rede.

A próxima etapa está relacionada com a metodologia de cálculo de cada variável relacionada na norma do PRODIST, conforme os itens seguintes:

a) Tensão Eficaz (true RMS): são calculadas as tensões eficazes das três fases e o valor da corrente eficaz utilizando-se o vetor de 2048 posições, correspondente à 16 ciclos de 60Hz da rede. Para isso, é realizado o cálculo true RMS.

b) Fator de Desequilíbrio: calculado em relação às tensões de linha da rede. Caso não haja conexão trifásica no medidor, esse parâmetro é automaticamente desabilitado. Também é realizado o cálculo com os valores correspondentes à 16 ciclos da rede.

c) Variação de Tensão de Curta Duração: a análise da ocorrência de um VTCD é feita a cada meio ciclo. Caso seja identificado a ocorrência de uma VTCD, é exibido no Display de LCD essa informação, e a janela de amostragem em que houve o distúrbio é armazenada no pendrive. Os valores de tensão e tempo são programáveis.

d) Flutuação de Tensão: o processamento da flutuação da tensão é feito a cada ciclo. É feita a análise do valor da tensão eficaz e esse valor é salvo em um vetor. Caso seja identificado que a tensão eficaz está oscilando, é indicado a frequência de oscilação e a amplitude da oscilação.

e) Fator de Potência: o fator de potência é calculado para cada janela de amostragem. Ao final do período de integralização, é apresentado o valor médio do fator de potência.

f) Harmônicos: o cálculo das distorções harmônicas das tensões e da corrente é realizado considerando uma amostra com 1024 valores, correspondente a 8 ciclos da rede. Esse valor é necessário, pois para minimizar o tamanho do código, é utilizada uma FFT de 1024 pontos. As saídas são o THD e as

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componentes harmônicas individuais até a 30ª ordem (1800Hz) de cada fase e da corrente da rede.

g) Variação de Frequência: são calculadas as frequências das tensões em cada janela de amostragem, correspondente a 16 ciclos de tensão da rede. Para cada janela de amostragem, é salvo o valor da frequência mínima, máxima e média de cada fase.

h) Tensão em regime Permanente: a tensão em regime permanente é processada em intervalos de integralização de 10 minutos cada, salvo quando ocorrerem VTCD, conforme descrito anteriormente. As janelas de medições correspondem a 16 ciclos da tensão da rede, com uma taxa amostral de 128 amostras por ciclo. Os resultados são salvos em um arquivo no pendrive.

O sistema proposto possui monitoramento de limites dos indicadores para todos os itens citados anteriormente. Quando qualquer um dos limites é ultrapassado, um alerta é gerado no arquivo armazenado no pendrive, contendo a discriminação completa do evento. Este arquivo pode ser carregado no computador utilizando o programa Microsoft Excel®. Nesse mesmo arquivo, estão armazenadas as variáveis elétricas referentes aos oito itens mencionados de (a) a (h) anteriormente.

O dado exibido no display de LCD é selecionado pelo usuário por meio de um botão de seleção. Os menus disponíveis são:

1. Tensão eficaz das fases; 2. THD das tensões; 3. Frequência fundamental das tensões; 4. Valor eficaz, THD e Frequência fundamental da

corrente; 5. 3º, 5º e 7º harmônicos das fases R, S e T e da

corrente.

IV. MEDIÇÕES E RESULTADOS

Com o intuito de validar a funcionalidade do medidor desenvolvido, foram realizados experimentos com um gerador de função, o “Chroma – Programmable AC Source – Model 6512”, da Chroma ATE Inc [8]. Esse gerador é capaz de produzir um conjunto de formas de onda com tensão e frequência fundamental ajustáveis, além de distorções harmônicas variadas. Paralelamente, foi utilizado um analisador de qualidade de energia com precisão de 0,05%, o “PM3000 Three-Phase Power Analyzer”, da Voltech Instruments [9], conforme o diagrama da Fig. 3.

Figura 3. Diagrama de interligação para realização dos experimentos.

Os experimentos foram realizados aplicando-se uma tensão de 100Vrms a uma carga resistiva de 153Ω para avaliar a precisão do medidor, tanto no quesito de corrente quanto de tensão. Cada forma de onda injetada possui componentes harmônicas diferentes, entretanto, fixou-se a componente fundamental em 60Hz. Para cada experimento, é apresentado o erro obtido com o medidor desenvolvido, tomando como referência o analisador PM3000A[7], conforme a Equação 1.

=||

[%]

A. Avaliação da medição do THD da tensão

O cálculo do THD da tensão é um resultado muito importante de ser obtido. Com ele é possível se certificar de que toda a metodologia de construção do medidor foi bem sucedida, pois qualquer anomalia inserida pelos circuitos de adequação e filtragem afetaria a forma de onda da tensão lida e, consequentemente, o espectro do sinal não seria condizente com o real. Para esse experimento, os resultados obtidos para as diferentes distorções geradas são apresentados na Tabela I.

Observa-se na Tabela I a pequena diferença entre o valor do THD obtido no medidor desenvolvido e no analisador profissional PM3000A. Isso comprova a eficiência do sistema de adequação e filtragem do sinal, além da fidelidade no processamento da forma de onda.

TABELA I. RESULTADO DO PROCESSAMENTO DO THD DA TENSÃO

Distorção Harmônica Total da Tensão

Gerador Analisador PM3000A Medidor Desenvolvido Erro Relativo

17,55% 17,78% 17,80% 0,11%

21,55% 21,28% 21,29% 0,05%

24,50% 24,54% 24,56% 0,08%

45,00% 44,54% 44,56% 0,40%

B. Avaliação da medição do THD da corrente

Da mesma forma que o cálculo do THD da tensão, o THD da corrente também fornece a mesma certificação da eficiência do sistema de medição. A Tabela II apresenta os resultados obtidos nesse experimento.

TABELA II. RESULTADO DO PROCESSAMENTO DO THD DA CORRENTE

Distorção Harmônica Total da Tensão

Gerador Analisador PM3000A Medidor Desenvolvido Erro Relativo

17,55% 17,77% 18,06% 1,63%

21,55% 21,30% 21,60% 1,41%

24,50% 24,50% 24,98% 1,96%

45,00% 44,55% 45,39% 1,89%

Nesse experimento o erro relativo obtido foi superior ao obtido para a tensão. Isso se deve, principalmente, à qualidade inferior do sensor de corrente utilizado.

C. Avaliação da medição da tensão e corrente RMS

De forma similar aos testes anteriores, a eficiência na medição da tensão RMS e da corrente RMS foi comprovada, conforme observado na Tabela III.

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TABELA III. RESULTADO DO PROCESSAMENTO DO THD DA TENSÃO E DA

CORRENTE

Tensão RMS

Gerador Analisador PM3000A Medidor Desenvolvido Erro Relativo

100,00V 99,86V 98,40V 1,47%

Corrente RMS

Gerador Analisador PM3000A Medidor Desenvolvido Erro Relativo

0,65235A 0,6531A 0,6525A 0,09%

Observa-se que o valor da tensão RMS obtida através do medidor desenvolvido distanciou-se ligeiramente do valor obtido no analisador PM3000A. Isso ocorre, especialmente, devido ao fato de que os componentes eletrônicos passivos (capacitores e resistores) utilizados para a construção do circuito de adequação possuem precisão de 1%, afetando o valor da amplitude da tensão lida.

D. Avaliação da medição da distorção harmônica individual

Dentre as funcionalidades do medidor desenvolvido, encontra-se a possibilidade de gerar relatórios contendo as intensidades das componentes harmônicas individuais da tensão e da corrente, até a 30ª ordem. A Fig. 4 e a Fig. 5 apresentam o resultado obtido para uma forma de onda com THD igual a 45%, onde as componentes harmônicas 3ª, 5ª, 7ª, 9ª, 11ª, 13ª e 15ª são definidas conforme a barra em azul dessas figuras.

Figura 4. Resultado do processamento da Distorção Harmônica Individual da Tensão.

A Fig. 5 também apresenta o resultado do processamento da distorção harmônica individual da corrente.

Figura 5. Resultado do processamento da Distorção Harmônica Individual da Corrente.

A Fig. 6 apresenta a forma de onda analisada pelo medidor desenvolvido.

Figura 6. Forma de onda com THD = 45%.

E. Análise em um sistema trifásico

O sistema desenvolvido permite que sejam analisadas as variáveis elétricas de um sistema trifásico, atendendo à norma do PRODIST. Dessa forma, foram realizadas medições nas instalações do laboratório de eletrônica do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Espírito Santo. Os resultados obtidos do processamento da tensão do laboratório encontram-se na Tabela IV.

TABELA IV. RESULTADOS DA ANÁLISE EM UM SISTEMA TRIFÁSICO

Variável Fase R Fase S Fase T

Tensão RMS 125,65 V 124,1 V 123,8 V

THD Tensão 2,80% 2,64% 3,09%

Tensão em Regime Permanente 126,18 V 124,29 V 124,66 V

Flutuação de Tensão 1,3V/6Hz 1,43V/6Hz 1,91V/6Hz

Variação de Frequência Min 59,97 Hz Méd 59,99Hz Max 60,02 Hz

Fator de Desequilíbrio 1%

VTCD Não Registrado

O valor da tensão RMS na Tabela IV representa a tensão RMS em uma janela de amostragem, composta por 16 ciclos da tensão da rede. Já os valores de THD e da tensão em regime permanente, correspondem aos valores obtidos no período de integralização, composto por 1008 amostras distribuídas em 10 minutos. No decorrer do período de amostragem, os valores de flutuação de tensão de maior amplitude foram registrados, conforme exposto na 5ª linha da Tabela IV. Para a variação de frequência, está exposto apenas o valor mínimo, médio e máximo, visto que, o resultado foi semelhante para as três fases. A mesma metodologia da flutuação de tensão foi adotada para o Fator de Desequilíbrio, no qual o valor de 0,9% foi o pior valor obtido no decorrer dos 10 minutos de amostragem. Durante o período de amostragem, não foram registrados variações de tensão de curta duração. A Fig. 7 mostra a forma em uma janela de amostragem das tensões das três fases do laboratório, mostrada com o auxílio do Matlab®.

Figura 7. Forma de onda da tensão no laboratório.

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Também foi realizado um teste de maior duração em uma instalação monofásica no interior do estado, de meia noite até às quatro da manhã. Nesse intervalo de medição foi constatado uma diminuição do valor eficaz da tensão por volta das 03:05 da manhã, entretanto, o valor não ultrapassou o limite de 116V estabelecido pelo PRODIST, não classificando uma VTCD. Essa diminuição deve-se, provavelmente, ao acionamento de cargas elevadas, como bombas hidráulicas, muito comuns nessa região, que normalmente são acionadas nesse horário. A Fig. 8 apresenta o comportamento da tensão RMS da fase R dessa instalação.

Figura 8. Comportamento da Tensão RMS da fase R ao longo tempo.

V. CONCLUSÕES

A qualidade da energia elétrica é um parâmetro primordial considerando-se a atual situação energética do país e, por décadas, foi deixada de lado pelos órgãos reguladores nacionais. Entretanto, a crescente demanda por energia elétrica pressiona as distribuidoras a fornecerem energia aos consumidores em uma escala cada vez maior, o que acaba se tornando um problema, caso a qualidade do produto não seja monitorada. Todavia, existe do outro lado o consumidor, que também é responsável pela qualidade da energia, como abordado anteriormente. Com a crescente inserção de cargas não-lineares na rede, a tendência é que as formas de onda da tensão e da corrente tornem-se cada vez mais distorcidas, caso não haja o controle ativo e o controle preventivo dos parâmetros mencionados no desenvolver deste trabalho. No centro desse jogo de equilíbrio encontram-se os medidores de qualidade de energia elétrica, que devem fornecer dados confiáveis para apontar as causas da qualidade deficiente do produto e, proporcionar uma forma justa de penalizar os devidos responsáveis pelo descumprimento das determinações estabelecidas pelo órgão regulador. Dessa maneira, observa-se a importância do estabelecimento tecnológico dos centros de pesquisas nacionais nesse ramo promissor, fornecendo o conhecimento e a tecnologia necessária para diminuir a dependência nacional da tecnologia e do conhecimento importado.

Analogamente, as novas tendências tecnológicas, como Smart Grid, abrirão mais espaço para a aplicação dos medidores de qualidade de energia. Neste contexto, a integração do aparelho medidor com a rede de internet será, provavelmente, requisitada, tornando-se possível obter a conta de energia detalhando o consumo de cada aparelho instalado em uma residência, como já é feito com as contas de telefone, por exemplo.

Não obstante, o propósito deste trabalho foi iniciar o desenvolvimento de um medidor de qualidade de energia elétrica integrável a outras tecnologias. Desenvolveu-se, portanto, um dispositivo portátil, de baixo custo, capaz de analisar, em tempo real, todos os parâmetros estabelecidos pelo órgão regulatório nacional. Os resultados dos testes descritos no item IV provaram a eficiência e a precisão do medidor desenvolvido que forneceu resultados comparáveis a um analisador comercial de qualidade de energia.

A Tabela V apresenta a lista de materiais utilizados no desenvolvimento do medidor, com o custo aproximado de cada item.

TABELA V. RESULTADO DO PROCESSAMENTO DO THD DA CORRENTE

Item Valor (R$)

STM32F4Discovery R$ 92,00

Sensor de Corrente R$ 65,00

Caixa para Medidor R$ 20,00

Display LCD 20x4 R$ 25,00

Componentes Eletrônicos Diversos R$ 105,19

Total R$ 307,19

Adicionalmente, a Fig. 9 apresenta uma imagem do medidor desenvolvido. Por tratar-se de um dispositivo de baixo custo desenvolvido em um Projeto de Graduação, dedicou-se mais tempo e recursos financeiros na implementação do hardware. O acabamento final do protótipo será abordado em trabalhos futuros.

Figura 9. Parte frontal do medidor desenvolvido.

VI. REFERÊNCIAS

[1] Xavier, P. E. A, “Analisador de qualidade de energia baseado em DSP,” Dissertação de Mestrado, Instituto Superior Técnico, Univ. Lisboa, 2011.

[2] Hafner, A., Lima, C.R.E., Lopes, H.S., “Implementação de um medidor de qualidade de energia usando computação configurável por hardware,” Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná, Curitiba, Brasil, 2005.

[3] ANEEL. Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional – PRODIST.

[4] MARTINHO, E. Distúrbios da Energia Elétrica. 2. ed. São Paulo: Érica. 2012.

[5] Microchip, MCP 6004 - Linear Amp. Ops. Devices.

[6] SCT-013. Split-Core Current Transformer.

[7] STM32F4DISCOVERY. Discovery kit for STM32 F4 series – with STM32F407VG MCU.

[8] Chroma Systems Solutions. 6512 Programmable AC Source.

[9] Voltech Instruments. PM3000 Three-Phase Power Analyzer.