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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DE PERNAMBUCO UNIDADE ACADÊMICA DE CABO DE STO. AGOSTINHO COMPONENTES DE SISTEMAS ELÉTRICOS 2020.2/2021 PROJETO DE TESTE PARA MEDIDOR TRIFÁSICO DE ENERGIA ELÉTRICA: Análise da qualidade trifásica de energia Prof. Dr. Marcel Araújo HELTON SILVA BERNARDO JULIO CESAR FEITOSA LEITE Cabo de Santo Agostinho, PE 2021 UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DE PERNAMBUCO UNIDADE ACADÊMICA DE CABO DE STO. AGOSTINHO COMPONENTES DE SISTEMAS ELÉTRICOS 2020.2/2021 PROJETO DE TESTE PARA MEDIDOR TRIFÁSICO DE ENERGIA ELÉTRICA: Análise da qualidade trifásica de energia Este documento de caráter técnico-cientifico objetiva explicar e relatar os procedimentos técnico-acadêmicos da revisão bibliográfica do projeto de teste para Medidor trifásico de energia elétrica realizada pela equipe Helton Bernardo e Júlio Feitosa, sob orientação do Prof. Dr. Marcel Araújo como forma parcial de avaliação para disciplina de Componentes de Sistemas Elétricos, da UACSA, UFRPE. Código PJT3. Data de submissão: 22 nov. 2021. Plataforma de submissão: SIGAA/SIGS. Tipo documental: Relatório Final. Cabo de Santo Agostinho, PE 2021 RESUMO (FEITOSA, Júlio C.) BERNARDO, H.; FEITOSA, Júlio C. Projeto de teste para medidor trifásico de energia elétrica: Análise da qualidade trifásica de energia. 2021. 24 p. Relatório Parcial de Projeto PJT2 (Disciplina de Componentes de Sistemas Elétricos). Unidade Acadêmica de Cabo de Santo Agostinho (UACSA), UFRPE, Cabo de Sto. Agostinho: 2021. Os sistemas trifásicos de energia elétrica estão cada vez mais avançando no mercado industrial e alcançando novos ares no setor tecnológico. Máquinas elétricas trifásicas instaladas nas redes industriais são prova que estes dispositivos configuram uma necessidade destes no sistema trifásico. Neste contexto, existe uma precisão eficiente de medição e análise da qualidade desta energia elétrica no setor industrial, sendo recorrente dispositivos medidores desta energia. Estes medidores trifásicos constituem um papel fundamental para esta análise de qualidade, uma vez que a finalidade de controle e manutenção destas redes é essencial para a sociedade tecnológica moderna. Palavras-chaves: Sistemas-Trifásicos; Medidor; Energia-Elétrica; Qualidade- elétrica; Controle-elétrico; Redes-elétricas; Transmissão-e-Distribuição. INTRODUÇÃO (BERNARDO, H.) Cerca de 23% do consumo de energia elétrica na matriz energética do Brasil é destinada ao setor residencial (ANEEL, 2012), extraindo desta necessidade uma demanda energética associada aos consumidores comerciais que mantêm grandes concessionárias no setor de distribuição e transmissão de energia elétrica. Este percentual só vem aumentando uma vez que o Balanço Energético Nacional de 2019, divulgado no Relatório de Síntese de 2019, neste setor houve um aumento de 1,3% referente ao ano anterior (EPE, 2019) sendo 11,9% referente só ao setor energético e 9,9% ao setor residencial. Diante do exposto percebe e avalia novas formas de entrega dessa energia, bem como a qualidade e a quantidade desta energia elétrica às residências com segurança. Outro fator que se leva em consideração nesta análise energética são as perdas associadas a transmissão e distribuição bem como perdas suplementares por transformação. Estas perdas no ano de 2018 foram significativamente diminuídas com relação a 2017, em termos percentuais, sendo uma queda de 0,6% sobre o todo produzido nos respectivos anos, ainda segundo o próprio Balanço Energético do EPE, notoriamente grande parte desta perda está em si relacionada a muitos fatores incluindo o controle da rede trifásica. Assim, existe uma busca por estes dispositivos de controle e proteção contra as perdas associadas a transmissão e distribuição do sistema trifásico que impactam em preocupações milionárias vindo por parte de grandes concessionárias de energia elétrica. Estas perdas somadas a um cenário caótico de crise, o qual o Brasil se encontra provocada pelos baixos níveis de represamento das hidrelétricas, baixos índices pluviométricos em consequência à escassez de chuvas; potencializam ainda mais o aumento das taxas tarifárias por conta de órgãos responsáveis (UOL, Economia; 2021) e a insatisfação da população brasileira. Como ressalta a tese de doutorado de Gabriel Miyasaka, a força motriz de grandes máquinas motoras alimentadas pelo sistema trifásico distribuidor presente no setor industrial é importante para manutenção e existência da sociedade tecnológica. Perante estas evidências, dispositivos de controle como medidores trifásicos são essenciais para redução destas perdas, comparando com os dispositivos de proteção atuais como disjuntores e outros, possuindo algumas vantagens interessantes que auxiliam no controle da transmissão e distribuição. Estas vantagens, dentre o próprio controle, podem ser apresentadas, como a visualização real dos valores de potência (tensão e corrente) atribuídos a rede trifásica. Assim, permite à concessionária por exemplo realizar um histórico dos valores de potência apresentados na rede ao longo de período específico, ainda estabelecer métricas para normas de outros dispositivos e calcular parâmetros futuros de implementações industriais. Assim, é possível observar na Fig. 1, a esquematização das aplicações do medidor. Figura 1: Operações e aplicações básicas do medidor trifásico. Fonte: AUTOR. Estas aplicações do dispositivo representam a importância destes aparelhos no auxílio da regulação de parâmetros já usuais, maior segurança nos processos de procedimentos executáveis e nas plantas elétricas de estações de controle. De fato, um ambiente ideal para a implementação e instalação destes dispositivos medidores são ambientes industriais com enorme demanda de motores trifásicos ligados à rede. Estes aparelhos fornecem confiabilidade ao operador/projetista. Não obstante, algumas limitações existirão quanto aos dispositivos dos medidores para valores de tensão e corrente suportáveis. Como apresenta a Fig. 2: Figura 2: Ilustração de uma indústria de baixa tensão para motores* operáveis de 𝐼𝑛𝑚 ≤ 200 𝐴 e 𝑉𝑛𝑚 = 380 𝑉. Fonte: AUTOR. Assim, além de conseguir a confiabilidade do operador com relação ao funcionamento dos motores, também é possível fornecer ao manipulador da operação (o qual é responsável pelo bem-estar destes motores, uma maior autonomia ao seu trabalho) tanto em relação ao tempo, quanto em conforto e em agilidade. Os dispositivos medidores podem ser integrados com comunicação sem fio e/ou conexão por cabeamento USB a um sistema de controle, um computador-padrão ou outro dispositivo compatível. Este fato, implementa e permite ao operador/responsável uma economia de tempo e esforço a medida com este não precisa consultar diariamente ao dispositivo medidor trifásico os valores obtidos (de maneira manual), como mostra a Figura 3, uma representação do processo de comunicação do medidor a central de dados: Figura 3: Esquemtização da interface de comunicação. Fonte: AUTOR. OBJETIVO GERAL (FEITOSA, Júlio C.) Projetar um dispositivo de medição trifásica, o qual consiste em identificar informando ao operador/usuário as características da rede pela natureza trifásica do sistema: Topologia do sistema, o qual este instrumento está instalado (configuração estrela ou triângulo), equilíbrio das cargas (estado do sistema), o fator de potência do sistema (impacto na qualidade elétrica) e a capacitância de correção deste fator de potência (condicionante da qualidade elétrica).OBJETIVOS ESPECÍFICOS (FEITOSA, Júlio C.) O dispositivo teste de medição trifásica deve ser capaz de realizar algumas finalidades e atribuições ao seu desempenho dentre elas são: o Realizar a medição das componentes de tensão e correntes elétricas tanto na fase (𝑉𝜙 e 𝐼𝜙, respectivamente) quanto de linha (𝑉𝐿 e 𝐼𝐿, respectivamente). o Verificar por análise comparativa (dos valores mensurados) a topologia de ligação trifásica (aspecto da configuração) do sistema elétrico. o Analisar o estado trifásico de equilíbrio das cargas, através das componentes de fases do sistema elétrico. o Determinar o fator de potência (𝑐𝑜𝑠(𝜙𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠)) antigo do sistema elétrico, definindo a capacitância de correção para o fator de potência (𝑐𝑜𝑠(𝜙𝐴𝑁𝐸𝐸𝐿) 𝑖𝑔𝑢𝑎𝑙 à 0,92) de especificação da ANEEL (ANEEL, Resolução Normativa nº 414; 2021). REVISÃO BIBLIOGRÁFICA (BERNARDO, H.) Os fundamentos e princípios que regem o dispositivo teste de projeto do medidor trifásico são abordados e retratados nesta dedicação como referencial teórico para construção gradual e progressiva dos aspectos para o melhor entendimento deste dispositivo e de como sua implementação no sistema da rede elétrica pode ser dimensionada. SISTEMA TRIFÁSICO A geração do sistema, geralmente, é simétrica, com configuração triangular ou estrela, havendo neutro aterrado quando em estrela. Quanto à transmissão e distribuição deste sistema são classificados como equilibrados ou desequilibrados. A carga conectada pode estar equilibrada ou desequilibrada, com configuração estrela ou triangular, havendo um neutro aterrado ou não (ARAÚJO, Marcel; 2021). Figura 4: Circuito trifásico em destaque parte geradora, transmissora/distribuidora e a carga. Fonte: ARAÚJO, Marcel; 2021. (Imagem modificada). As tensões e correntes no sistema trifásicos são caracterizados por ondas oscilatórias defasadas em 120° graus. Os quais são expressos pelas formas de ondas, 𝑒1(𝑡) = 𝐸𝜙 𝑐𝑜𝑠(𝜔𝑡) ⇒ 𝑬𝟏 = 𝐸𝜙 ∠ 0° 𝑉 (1) 𝑒2(𝑡) = 𝐸𝜙𝑐𝑜𝑠 (𝜔𝑡 − 120° ) ⇒ 𝑬𝟐 = 𝐸𝜙 ∠ 120° 𝑉 (2) 𝑒3(𝑡) = 𝐸𝜙𝑐𝑜𝑠 (𝜔𝑡 − 240°) ⇒ 𝑬𝟑 = 𝐸𝜙 ∠ 240° 𝑉 (3) Estas componentes de fases (1), (2) e (3) são provenientes do gerador ABC que relacionam com as componentes de linhas pela 𝑽𝑳 = √3𝐸𝜙 ∠ 30° 𝑉, na configuração estrela-estrela. As correntes de linhas são as mesmas fases 𝐼𝐿 = 𝐼𝜙 = 𝐸𝜙 𝑍𝑌 . Na ligação em triângulo as correntes de fase e linha relacionam por √3𝐼𝐿 = 𝐼𝜙. 𝑖1(𝑡) = 𝐼𝜙 𝑐𝑜𝑠 𝑐𝑜𝑠 (𝜔𝑡) ⇒ 𝑰𝟏 = 𝐼𝜙∠ 0° 𝐴 (4) 𝑰𝟐 = 𝐼𝜙∠ 120° 𝐴 (5) 𝑰𝟑 = 𝐼𝜙∠ 240° 𝐴 (6) O fator de potência é tido a partir da expressão, 𝐹𝑃 = 𝑐𝑜𝑠(𝜃𝑣 − 𝜃𝑖) (7) Onde os ângulos 𝜃𝑣 e 𝜃𝑖 são as defasagens da tensão de fase e as correntes de fases, em ambas as configurações de ligação. EQUILIBRIO DAS CARGAS O equilíbrio de cargas elétricas no sistema trifásico é apresentado pela uniformidade da impedância 𝑍𝛥 ou 𝑍𝑌 na conexão as quais elas são conectadas, de forma singular, cargas em equilíbrios tendem a equalizar o sistema pelo formato da conexão (estrela ou triângulo) a depender do tipo de ligação. QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA A fim de se projetar um dispositivo capaz de analisar o nível de tensão e corrente elétrica na rede em condição ao fator de qualidade da rede, este em princípio deve ser capaz de detectar distúrbios de naturezas diversas apontando ao usuário/operador. Estes distúrbios podem ser diversos e ao mesmo tempo cumulativos, o sistema elétrico não diferencia quais naturezas estes distúrbios são originados, apenas os sentem traduzindo em danos para os equipamentos que o constituem. Assim, a melhor definição de qualidade energética pode ser descrita pela relação de compatibilidade da rede entre as fontes e os equipamentos que a consome de forma eficiente (SANTOS, 2012). Outra definição que melhor atende e abrange os distúrbios é da tese Da Silva (2020), o qual destaca a qualidade de energia e a relação entre fatores que ocorrem na própria rede elétrica, seja origem de descargas atmosféricas, fatores externos de ruídos, cargas externas de origem desconhecidas, campos elétricos e magnéticos imprevisíveis, dentre diversos aspectos que possa ocorrer. Alguns distúrbios característicos mais frequentes e mais considerados nos cálculos da engenharia de projeto são os relacionados aos harmônicos ou às distorções harmônicas. Em síntese harmônicos são indesejáveis na rede pois desequilibram o sistema através de modulações assimétricas de tensão e corrente média na rede. Em outros termos, são ondas de frequência múltiplas da fundamental que quando somadas a uma única resultante perde a característica senoidal do sistema. Outro tipo característico natural de distúrbio são os ruídos, semelhante aos harmônicos, este por sua vez, combinam ondas senoidais de tensão ou corrente externa e se somam também provocando um novo aspecto indesejado a onda normal da rede elétrica (DA SILVA, João H. V.; 2017). MATERIAIS USADOS (FERRAMENTA 5W2H) (BERNARDO, H. & FEITOSA, Júlio C.) O que? Por que? Onde? Quem? Quando? Como? Proteus (Programa de simulações elétricas) e o CAD_simu (Programa para simulações de instalações elétricas) Devido a necessidade de analisar e simular o sistema trifásico para determinar parâmetros de melhoras na prototipação. Através dos computadores da própria equipe. Helton Bernardo e Júlio Cesar Toda parte de desenvolviment o da prototipação. Através da interface Software- Hardware (controlador Arduíno), a qual é mais prática nas simulações. Para o CAD_Simu o ambiente virtual de esquematização . Fonte de alimentação (geradoras externas) Devido a alimentação dos terminais do sistema trifásico. Nos terminais trifásicos do circuito dimensionado. Helton Bernardo e Júlio Cesar. Durante toda parte do projeto desde o protótipo até a parte final. Convencional. A alimentação será feita por 220 V (rms) para o demonstrativo, frequência de 60 Hz e defasadas em 120 graus cada. Amperímetros, voltímetros e wattímetros Dispositivos para medição das correntes, tensões de fases e linhas dos circuitos demonstrativos, bem como potência ativa na carga. Os amperímetros estão ligados diretamente nas linhas trifásicas em série e os voltímetros em paralelo nas linhas. O wattímetro está em série e paralelo com a carga Helton Bernardo e Júlio Cesar Toda parte de desenvolviment o da prototipação. Amperímetros em série nas linhas e voltímetros em paralelos com as linhas. Arduíno Uno (controlador) Controle dos dados de correntes e tensão pela programação implementada. Conectado ao sensor de corrente. Helton Bernardo e Júlio Cesar Durante toda parte do projeto desde o protótipo até a parte final. Através das conexões por pinagem junto ao sensor e outros componentes do sistema. Motor disjuntor de teste Implementação do motor de teste para efeito da carga. Nos terminais trifásicos do circuito (carga). Helton Bernardo e Júlio Cesar Durante toda parte do projeto desde o protótipo até a parte final. Através das conexões com o sensor e outros os geradores. Como uma carga de teste além da junção potenciômetro- indutor. 3 × Sensores de corrente ACS755XCB- 200A Estes permitem a captura dos valores de corrente nos terminais da carga. Estão entre os terminais da carga e o microcontrolado r (em termos de componentes). Na saída do produto – forma não-invasiva (em termos de produto final e acabamento) A equipe Estes farão parte da composição dassimulações iniciais da prototipação até o produto final. Estão ligados em série com a carga de interesse, e conectados ao GND e alimentação ao microcontrolado r do Arduíno Uno. 3 × Sensores de tensão ZMPT-101B. Estes permitem a captura dos valores de tensão nos terminais da carga. Estão entre os terminais da carga e o microcontrolado r (em termos de componentes), similares ao de correntes. Na saída do produto – forma não-invasiva (em termos de produto final e acabamento) A equipe Similarmente aos de correntes, também farão parte da composição das simulações iniciais da prototipação até o produto final. Estão ligados em paralelos com a carga de interesse, e conectados ao GND e alimentação ao microcontrolado r do Arduíno Uno. Módulo Wireless STM Antennas (Molex) Este permite a conexão sem fio entre o dispositivo (produto) com um sistema externo, por Wi- Fi. No interior do produto, em termos de acabamento. A equipe Desde da implementação física de teste até o produto final. Esta está ligada diretamente a conexão de saída de dados do Arduíno (em série) e alimentada por uma fonte de 5 V. 3 × Resistores de 300 𝑘Ω e 3 × 2.5 Ω Estes permitem a regulação da tensão de entrada para o sensor “divisor de tensão” e é recomendado pelo fabricante. Na placa de circuito impresso. A equipe Ao final das simulações até a implementação do produto final. Os resistores de 300k estão ligados na entrada de cada sensor de tensão (permitindo o nível de corrente baixo) e os resistores de 2.5 estão em paralelos com as saídas (alimentação e saída do sinal) dos três sensores proporcionando o nível de leitura suportado pelo Arduino. 1 × Capacitor de 0.2 𝜇𝐹/0.5 𝜇𝐹 Este possui função de atenuação do sinal de saída do microcontrolado r com o módulo da antena. Recomendado pelo fabricante. Está no circuito impresso, mais especificamente ao lado da antena. A equipe Ao final das simulações até a implementação do produto final O capacitor está ligado em série com a entrada da antena e a saída do arduíno, sendo intermediado pelo sinal de saída. Até 10 × Conectores do tipo bornes KRE-03 Vias Miniparafuso Estes conectores permitem a conexão das linhas e fases externas (a ser medida) com o circuito do medidor. No circuito impresso (nas extremidades da placa de PCB). A equipe Ao final das simulações até a implementação do produto final Está ligado em série com terminais de entrada dos sensores de tensão e dos sensores de corrente. 1 × Placa de Circuito impresso (PCB) Esta integra os componentes (resistores, sensores e capacitores). Esta está no interior da estrutura de armação do medidor trifásico. A equipe Ao final das simulações até a implementação do produto final A placa comporta as trilhas e caminhos das ilhas (componentes) que integra o circuito. Tabela 1: Método 5W2H para a utilização dos materiais e equipamentos. ETAPAS DE DESENVOLVIMENTO (FERRAMENTA 5W2H) (FEITOSA, Júlio C.) O que? Por que? Onde? Quem? Quando? Como? Etapa 1: Definições Iniciais Para iniciar um projeto é necessário coletar dados e informações através da revisão bibliográfica realizada, definir os parâmetros e o que deve ser feito. Plataforma do WhatsApp e Google Meet Helton Bernardo e Júlio Cesar 1 set. 2021 até 24 set. 2021. Obs.: Datas baseadas nos prazos de entrega do PJTs. Realizado através de uma pesquisa bibliográfica: modelos disponíveis, princípio de funcionamento e outros aspectos para o funcionamento do medidor trifásico. Etapa 2: Simulação Devido a necessidade de verificar e controlar circuitos trifásicos típicos que o medidor trifásico será capaz de equipar. Software do Proteus. Helton Bernardo e Júlio Cesar 1 out. 2021 e 3 out. 2021. Obs.: Datas baseadas nos prazos de entrega do PJTs. Esta etapa consiste em simulações de circuitos trifásicos, análise do seu comportamento e métodos de medição de corrente e tensão. Etapa 3: Melhorame nto do Projeto Devido a parâmetros simulados do projeto passível de ser corrigidos. Nesta etapa há a necessidade de implementar o microcontrolador (Arduíno). Software do Proteus. Helton Bernardo e Júlio Cesar. 15 out. 2021 até 29 out. 2021. Obs.: Datas baseadas nos prazos de entrega do PJTs. Esquematizar as ligações e operações dos sensores de corrente, bem como a utilização do microcontrolador Arduino. Montar os diagramas esquemáticos e simular para verificar, baseado nas simulações da etapa 2, o correto funcionamento do circuito do medidor. Etapa 4: Entrega do Projeto Correção de possíveis erros bem como a finalização da solução proposta do medidor. No Software do Proteus e apresentaçã o no relatório final. Helton Bernardo e Júlio Cesar. 10 nov. 2021 até 16 out. 2021. Obs.: Datas baseadas nos prazos de entrega do PJTs. Finalização da elaboração dos circuitos, analise de verificação de erros e demonstração dos parâmetros de funcionamento do medidor trifásico. Tabela 2: Método 5W2H para as etapas do desenvolvimento do projeto. METODOLOGIA (BERNARDO, H.) Baseado na fundamentação teórica deste projeto, a metodologia consiste na demonstração e na estruturação das simulações de circuitos trifásicos típicos considerando os parâmetros de funcionamento já revisados pela pesquisa bibliográfica. O projeto do dispositivo do medidor que tem como intuito a instalação em redes trifásicas para isto, é necessário conhecer o princípio de funcionamento e operação destas redes através de técnicas de simulação disponíveis que ajudam a melhorar o contexto da implementação deste dispositivo. PRIMEIRAS SIMULAÇÕES (BERNARDO, H.) Desenvolveu as configurações básicas (Y e 𝛥) no programa do Proteus, dimensionando, portanto, o circuito trifásico estrela, com três fontes geradoras (𝑉𝑎𝑛, 𝑉𝑏𝑛 e 𝑉𝑐𝑛) de 220 𝑉𝑟𝑚𝑠, 𝑓𝑟𝑒𝑑𝑒 = 60 𝐻𝑧, interligadas diretamente à carga motora trifásica (Motor Brushless AC de 220 𝑉𝑟𝑚𝑠, 200 𝐴𝑟𝑚𝑠) em configuração estrela. Ao longo do circuito foram inseridos amperímetros em série as linhas da rede, e voltímetros em série as mesmas, da seguinte forma: Colocou-se voltímetros antes das fontes geradoras e depois nas ligações dos fios, colocando também amperímetros antes e após as cargas a fim de mensurar as correntes de linhas e fase com a configuração de wattímetro em série com a linha e paralelo com a carga, como mostra a Figura 5: Figura 5: Sistema trifásico com carga do motor trifásico brushless de 6 portas com configuração estrela. Fonte: AUTOR. MEMORIAL DE CÁLCULO (SIMULAÇÃO DO SISTEMA TRIFÁSICO) Na configuração estrela da carga (motora) é analisada que as correntes de linhas 𝐼𝑎 = 193 𝐴; 𝐼𝑏 = 191 𝐴 e 𝐼𝑐 = 192 𝐴 são diferentes das correntes na carga, mesmo apesar da diferença pequena o sistema é equilibrado, devido ao comportamento dinâmico do motor, assim o circuito apresenta uma carga AC Volts +383 AC Amps +191 AC Volts +384 AC Volts +383 Van Vbn Vcn AC Amps +193 AC Amps +192 AC Volts +221 AC Volts +220 AC Volts +223 +0.19 M1 MOTOR-BLDCM AC Amps +192 AC Amps +193 AC Amps +191 k W + 6 6 .0 6 equilibrada. O Wattímetro mensurou uma potência ativa em 66,06 𝑘𝑊, para a potência aparente 𝑆 em 𝑉𝐴, dada pela equação (8) e (9): 𝑆 = √3 × 𝑉𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 × 𝐼𝐿 = √3 × 220 𝑉𝑟𝑚𝑠 × 191 𝐴𝑟𝑚𝑠 = 72,78 𝑘𝑉𝐴 (8) Assim é possível determinar o fator de potência do sistema simulado: cos (𝜙) = 66,06 𝑘𝑊 72,78 𝑘𝑉𝐴 ≈ 0,907 (9) Analogamente, se refaz a análise para o sistema trifásico em configuração triângulo, como apresenta a Figura 6: Figura 6: Sistema trifásico com carga de um motor trifásico brushless de6 portas com configuração triângulo. Fonte: AUTOR. Na configuração triângulo da carga (motora) é analisada que as correntes de linhas 𝐼𝑎 = 195 𝐴; 𝐼𝑏 = 196 𝐴 e 𝐼𝑐 = 194 𝐴, são também diferentes das correntes na carga, mesmo com diferenças súteis o circuito também apresenta uma carga equilibrada. A corrente na carga é dada pela relação de correntes trifásicas 𝐼𝐿 = 𝐼𝐹 √3 . O Wattímetro mensurou uma potência ativa em 62,3 𝑘𝑊, para a potência aparente 𝑆 em 𝑉𝐴, dada pela equação (10) e (11): 𝑆 = √3 × 𝑉𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 × 𝐼𝐿 = √3 × 220 𝑉𝑟𝑚𝑠 × 195 𝐴𝑟𝑚𝑠 = 74,30 𝑘𝑉𝐴 (10) Assim é possível determinar o fator de potência do sistema simulado: 𝑐𝑜𝑠 𝜙 = 62,3 𝑘𝑊 74,3 𝑘𝑉𝐴 ≈ 0,839. (11) RESULTADOS INICIAIS (PARA A APLICAÇÃO TRIFÁSICA) A partir disso é possível tabelar os dados registrados pela simulação como objetivo de parametrização dos valores, uma vez que o dispositivo do medidor deve atuar de forma a registrar todas os valores obtidos pelos voltímetros, AC Volts +383 AC Amps +196 Van Vbn Vcn AC Amps +195 AC Amps +194 AC Volts +220 AC Volts +221 AC Volts +219 +1.60 M1 MOTOR-BLDCM AC A m p s + 1 1 2 A C A m p s + 1 1 3 A C A m p s + 1 1 3 k W + 6 2 .3 0 AC Volts +381 AC Volts +379 amperímetros e o wattímetro, na carga e na parte geradora. Os valores da primeira simulação referente ao circuito trifásico são apresentados na Tabela 3, Estrela 𝑉𝑓𝑎𝑠𝑒 (𝑉) 𝑉𝑙𝑖𝑛ℎ𝑎 (𝑉) 𝐼𝑓𝑎𝑠𝑒 (𝐴) 𝐼𝑙𝑖𝑛ℎ𝑎 (𝐴) 𝑐𝑜𝑠(𝜙) 𝑉𝑎𝑛 = 221 𝑉𝑎𝑏 = 383 𝐼𝑎𝑛 = 193 𝐼𝑎𝑏 = 192 0.907 𝑉𝑏𝑛 = 220 𝑉𝑏𝑐 = 384 𝐼𝑏𝑛 = 191 𝐼𝑏𝑐 = 193 𝑉𝑐𝑛 = 223 𝑉𝑐𝑎 = 383 𝐼𝑐𝑛 = 192 𝐼𝑐𝑎 = 191 Triângulo 𝑉𝑎𝑛 = 220 𝑉𝑎𝑏 = 383 𝐼𝑎𝑛 = 195 𝐼𝑎𝑏 = 112 0.839 𝑉𝑏𝑛 = 221 𝑉𝑏𝑐 = 381 𝐼𝑏𝑛 = 196 𝐼𝑏𝑐 = 113 𝑉𝑐𝑛 = 219 𝑉𝑐𝑎 = 379 𝐼𝑐𝑛 = 194 𝐼𝑐𝑎 = 112 Tabela 3: Dados obtidos na simulação pelo circuito trifásico das Figuras 5 e 6. Para os valores de capacitâncias equivalentes dos bancos de capacitores para correção dos fatores de potências (em ambas as configurações): Configuração estrela: 𝜙1 = cos −1(.907) = 24.906∘ 𝜙𝐴𝑁𝐸𝐸𝐿 = cos −1(. 92) = 23.074∘ Cálculo da potência reativa 𝑄𝑐, eq. (12): 𝑄𝑐 = (tan 𝜙1 − tan 𝜙𝐴𝑁𝐸𝐸𝐿) × 𝑃𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑄𝑐 = 2531 𝑉𝐴𝑟 Cálculo da capacitância 𝐶𝑒𝑞, eq. (13): 𝐶𝑒𝑞 = 𝑄𝑐 2𝜋 × 𝑓𝑟𝑒𝑑𝑒 × 𝑉𝑔2 𝐶𝑒𝑞 = 138.713 𝜇𝐹 Configuração triângulo: 𝜙1 = cos −1(.839) = 26.750∘ 𝜙𝐴𝑁𝐸𝐸𝐿 = cos −1(. 92) = 23.074∘ Cálculo da potência reativa 𝑄𝑐, eq. (12): 𝑄𝑐 = (tan 𝜙1 − tan 𝜙𝐴𝑁𝐸𝐸𝐿) × 𝑃𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑄𝑐 = 13,865 𝑘𝑉𝐴𝑟 Cálculo da capacitância 𝐶𝑒𝑞, eq. (13): 𝐶𝑒𝑞 = 𝑄𝑐 2𝜋 × 𝑓𝑟𝑒𝑑𝑒 × 𝑉𝑔2 𝐶𝑒𝑞 = 759.868 𝜇𝐹 Assim a partir das simulações iniciais pode-se definir uma padronização para os efeitos de carga que o protótipo medidor será melhor empregado: PADRONIZAÇÃO E ESPECIFICAÇÃO DA CARGA Qualquer carga motora trifásica cuja os valores nominais suportados de até 200 𝐴 e 600 𝑉. Assim, motores trifásicos de plantas industriais para baixa tensão são o foco principal com velocidade nominal de 1800 𝑟𝑝𝑚, 𝑓𝑛𝑚 = 60 𝐻𝑧. Até 200 cv. Tabela 4: Dados de uniformização da carga. (BERNARDO, H.) ESPECIFICAÇÕES DOS SENSORES UTILIZADOS (BERNARDO, H.) Observação Importante: O sensor utilizado para medição de corrente, inicialmente, foi pensado no ACS712-30A, não obstante, após algumas considerações com relação aos efeitos de carga (aplicação para motores de valores nominais de até 200 A), alterou-se e ajustou-se para o sensor de corrente ACS 755XCB-200A, cuja aplicação é mais adequada ao instituto do projeto. Outra observação: Ainda não havia sido definido era com relação ao sensor de tensão que iria ser utilizado ou viria a ser usado, uma vez que não havia ainda um padrão de carga definido para o projeto. Assim, diante das observações fundamentadas e tipificada realizou-se um levantamento do estudo acerca dos componentes utilizados através dos datasheets e manuais de instruções, levando em considerações configurações principais destes para a integração no circuito. Sensor de tensão ZMPT-101 B ETC. Guide Manual of ZMPT 101- B. Disponível em: <https://datasheetspdf.com/pdf- file/1031464/ETC/ZMPT101B/1>. Acesso em 6 nov. 2021. O sensor é baseado no princípio do transformador, possuindo uma região linear; esta região linear permite a implementação para os valores máximos de tensão: 𝑅′ = 𝑉𝑖𝑛 𝐼𝑖𝑛 → 𝑅𝑜𝑢𝑡 = 𝑅′ × 𝑉𝑜𝑢𝑡/𝑉𝑖𝑛 (12) Alimentação é 𝑉𝐶𝐶 = 5 𝑉(𝑟𝑚𝑠); A corrente suportada de entrada e saída é de 𝐼𝑠𝑢𝑝𝑜𝑟𝑡𝑒 ≤ 2 𝑚𝐴; Região linear 0 ~ 1000 V; Precisão na leitura de ±1% e faixa de temperatura operável em −40 °𝐶 ~ 70°𝐶. Fabricante/Marca: ETC. Sensor de corrente ACS755SCB-200 A ALLEGRO, Electronic. Current Sensor: ACS755SCB-200. Disponível em: << http://www.farnell.com/datasheets/8 992.pdf>>. Acesso em 6 nov. 2021. O sensor é invasivo (precisa se conectar na carga de interesse) seu controle é baseado nos níveis de sensibilidades, cuja faixa de operação é 19 𝑚𝑉/𝐴 à 21 𝑚𝑉/𝐴. Assim para valores nominais, a sensibilidade à 𝑇𝑎𝑚𝑏 = 25°𝐶 é a média 20 𝑚𝑉/𝐴 (como especifica o datasheet). Alimentação é 𝑉𝐶𝐶 = 5 𝑉 à 16 𝑉; A corrente suportada de entrada 𝐼𝑖𝑛 ≤ 200 A e a saída é de 𝐼𝑜𝑢𝑡 ≤ 300 𝑚𝐴; para 𝐼𝑖𝑛 = 0 𝐴 a tensão de saída 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 0.6 𝑉. https://datasheetspdf.com/pdf-file/1031464/ETC/ZMPT101B/1 https://datasheetspdf.com/pdf-file/1031464/ETC/ZMPT101B/1 http://www.farnell.com/datasheets/8992.pdf http://www.farnell.com/datasheets/8992.pdf Precisão na leitura de ±0.8% e faixa de temperatura operável em −20 °𝐶 ~ 80°𝐶. Fabricante/Marca: Allegro Electronic. Módulo Wireless: STM Antennas 203006-0001 MOLEX. Ceramic STM Antennas: Product Specification. 2019. Disponível em: << https://br.mouser.com/ProductDetail /Molex/203006- 0001?qs=AQlKX63v8Rtpx3sH6G2l NA%3D%3D>>. Acesso em 6 nov. 2021. Este dispositivo é um módulo wireless acoplado ao microcontrolador que emite o sinal capturado e processado pelo controlador. Sua estrutura é cerâmica, pequeno e portátil. Sua aplicação abrange Bluetooth, WiFi, WLAN, Zigbee. A polarização é linear. Alimentação é 𝑉𝐶𝐶 = 10 𝑉; A banda de dados transmitida é de até 5 𝐺𝐵. 1 Band. Potência máxima 2 𝑊. Corrente de máxima entrada 𝐼𝑖𝑛 ≤ 200 𝑚𝐴. Precisão na captura de ±10% de erro e faixa de temperatura operável em −40 °𝐶 ~ 125°𝐶. Fabricante/Marca: Molex. Conectores Bornes Terminal Fonte Usina 200a Conector Borne Terminal de Fonte de Usina. Disponível em: <http://br.melinterest.com/?r=site/se arch&seller_id=99084146&seller_ni ckname=FRSOUND..>. Acesso em 19 nov. 2021. Dispositivo conector borne terminal de Fonte de Usina para placas de circuito impresso de potência, provido com 2 entradas não-invasiva no circuito externo. Suportável corrente máxima 𝐼𝑚á𝑥 ≤ 200 𝐴. Suportável tensão máxima 𝑉𝑚á𝑥 ≤ 800 𝑉. Placa de Fibra de Vidro Cobreada USINAINFO. Placa de Fibra de Vidro Cobreada para Circuito Impresso. Disponível em: << https://www.usinainfo.com.br/placa-de- fibra-de-vidro/placa-de-fibra-de-vidro- cobreada-10x20-cm-para-circuito- impresso-4445.html>>. Acesso em 19 nov. 2021. Placa de base para o layout dos componentes do circuito impresso de potência. Sua espessura é fibra de vidro cobreada cuja dimensões 10 cm x 20 cm. Suporta temperaturas elevadas próximas à 100∘𝐶. https://br.mouser.com/ProductDetail/Molex/203006-0001?qs=AQlKX63v8Rtpx3sH6G2lNA%3D%3D https://br.mouser.com/ProductDetail/Molex/203006-0001?qs=AQlKX63v8Rtpx3sH6G2lNA%3D%3D https://br.mouser.com/ProductDetail/Molex/203006-0001?qs=AQlKX63v8Rtpx3sH6G2lNA%3D%3D https://br.mouser.com/ProductDetail/Molex/203006-0001?qs=AQlKX63v8Rtpx3sH6G2lNA%3D%3D http://br.melinterest.com/?r=site/search&seller_id=99084146&seller_nickname=FRSOUND..http://br.melinterest.com/?r=site/search&seller_id=99084146&seller_nickname=FRSOUND.. http://br.melinterest.com/?r=site/search&seller_id=99084146&seller_nickname=FRSOUND.. https://www.usinainfo.com.br/placa-de-fibra-de-vidro/placa-de-fibra-de-vidro-cobreada-10x20-cm-para-circuito-impresso-4445.html https://www.usinainfo.com.br/placa-de-fibra-de-vidro/placa-de-fibra-de-vidro-cobreada-10x20-cm-para-circuito-impresso-4445.html https://www.usinainfo.com.br/placa-de-fibra-de-vidro/placa-de-fibra-de-vidro-cobreada-10x20-cm-para-circuito-impresso-4445.html https://www.usinainfo.com.br/placa-de-fibra-de-vidro/placa-de-fibra-de-vidro-cobreada-10x20-cm-para-circuito-impresso-4445.html Tabela 5: Especificação criteriosa dos componentes do protótipo. MEMORIAL DE CÁLCULO (INTERFACE SENSORES-CONTROLADOR) (BERNARDO, H.) Para realizar a coleta de valores pelos sensores e enviar ao Arduíno Uno, é necessário a realização da amostragem dos sinais para interpretação pelo microcontrolador. AMOSTRAGEM DO SINAL DE CORRENTE E TENSÃO Sensor de Corrente: O microcontrolador do Arduíno só detecta variações pequenas de tensão na porta analógica dos seus terminais para uma alimentação de 5 𝑉 para uma quantidade de 10 bits, desta forma se calcula pela equação (13), Δ𝑉𝑑𝑒𝑡𝑒𝑐𝑡𝑎 = 𝑉𝑐𝑐 2𝑛 𝑜 𝑑𝑒 𝑏𝑖𝑡𝑠 = 5 𝑉 210 𝑏𝑖𝑡𝑠 = 4,88 𝑚𝑉 (13) Cada terminal pode detectar até 4,88 𝑚𝑉, isto corresponde, a uma corrente de detecção, pela sensibilidade média do ACS755SCB-200. 𝐼deteccão = 𝑉𝑑𝑒𝑡𝑒𝑐𝑡𝑎 𝑠𝑒𝑛𝑠 = 4,88 𝑚𝑉 20 𝑚𝑉 𝐴 = 0,244 𝐴 = 244 𝑚𝐴 ≤ 𝐼𝑜𝑢𝑡 = 300 𝑚𝐴 (14) Esta corrente de 244 𝑚𝐴 será a detectada pelo microcontrolador, este receberá sinais analógicos (pela modulação da onda de corrente) em frequência 130 𝑘𝐻𝑧 na máxima amplitude de 244 𝑚𝐴, que corresponde a um valor menor que a corrente saída do sensor (critério de compatibilidade). Sensor de tensão: Analogamente, ao sensor de corrente, o controlador só detecta variações de 4,88 𝑚𝑉 de tensão, logo, este parâmetro serve para definir a tensão de saída 𝑉𝑜𝑢𝑡 (dado que, diferente da análise do sensor de corrente, este é baseado no funcionamento da polarização da região linear), como segue o cálculo provindo da equação (12), com a corrente de entrada de 𝐼𝑖𝑛 = 2 𝑚𝐴, a tensão de entrada é a equipe que define (visto que, a mesma especifica a padronização da carga) para 𝑉𝑖𝑛 = 600 𝑉 (a qual atente muitas aplicações motoras industriais): 𝑅′ = 𝑉𝑖𝑛 𝐼𝑖𝑛 → 𝑅′ = 600 𝑉 2 𝑚𝐴 = 300 𝑘Ω (15) 𝑅𝑜𝑢𝑡 = 𝑅 ′ × 𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑉𝑖𝑛 → 𝑅𝑜𝑢𝑡 = 300 𝑘Ω ( 4,88𝑚𝑉 600 𝑉 ) = 2,44 Ω → 2,5 Ω (16) Assim, introduziu-se no circuito do protótipo dois resistores de 300 𝑘Ω e 2,5𝑘Ω na seguinte configuração, como recomenda o fabricante na folha de manual do ZMPT101-B, como mostra a Fig. 7: Figura 7: Especificações dos resistores para o sensor de tensão com base nas recomendações do fabricante. Fonte: AUTOR. Módulo Wireless STM Antennas: Seguindo as especificações e recomendações do fabricante presente no Guia-Manual para instalação da interface Controlador-Antena, foi inserido um capacitor de . 2 𝜇𝐹 para atenuar o sinal recebido do microcontrolador, esta envia o dado para um sistema de controle através da conexão sem fio (Wi-Fi). ESTRUTURAÇÃO DOS COMPONENTES DO PROTÓTIPO (BERNARDO, H.) Figura 8: Protótipo do medidor trifásico em uma carga motora. Fonte: AUTOR. A Fig. 8 apresenta o circuito esquemático do protótipo em uma carga motora. As conexões dos sensores de corrente estão interconectadas em cima da carga (corrente de linha) para as três linhas. A porta IP+ destes sensores estão conectadas diretamente a linha antes carga e após a carga encontrasse IP-. Assim, as conexões de alimentação, saída e aterramento são repetitivamente representadas por VCC, Vout e GND. A conexão da porta de saída Vout é responsável pelo envio do sinal até o microcontrolador, cada saída dos sensores de correntes está conectada a porta de entrada analógica do Arduíno, A1, A3 e A5 (sempre ímpares). Analogamente, as conexões dos sensores de tensão estão conectadas de linha a outra (tensões de linhas). Nesta conexão direta com a porta de entrada PRI_1 e PRI_2 dos sensores de tensão, há o resistor de rd ino o e r do o s ot o 300 𝑘Ω em série apenas na entrada do PRI_1, o qual foi dimensionado (Ver Memorial de Cálculo), assim o sinal é capturado pelo dispositivo e enviado pela porta SEC_2, visto que a porta SEC_1 é alimentada pela fonte CC de 5 𝑉. O sinal analógico de SEC_1 é direcionado para o microcontrolador para porta de entrada do pino A0, A2 e A4 (sempre pares). Por fim, o sinal é processado em informação útil e enviado para a antena do módulo Wireless, que está alimentada pelo terminal FEED com 5 𝑉 cc e recebe o sinal atenuado com maior qualidade (sem ruídos) em virtude do acoplamento de um capacitor de filtro de . 2 𝜇𝐹 em série entre NC e RX. ROTINA LÓGICA-PROGRAMÁVEL DO MICROCONTROLADOR (FEITOSA, Júlio C.) O código descrito foi elaborado para finalidade de controlar o Arduino, assim tomo como base os manuais dos componentes: #define VIN0 A0 // define a entrada do pino A0 (V_IN0) #define VIN1 A1 // define a entrada do pino A1 (V_IN1) #define VIN2 A2 // define a entrada do pino A2 (V_IN2) #define VIN3 A3 // define a entrada do pino A0 (V_IN3) #define VIN4 A4 // define a entrada do pino A1 (V_IN4) #define VIN5 A5 // define a entrada do pino A2 (V_IN5) const float VCC = 5.0; // Tensao de alimentação de 5 V. const int modelo = 7; // parametro do modelo (dado do datasheet) float corrente_cut_off = .244;// Ler a corrente de corte dimensionada 244 mA // ACS758CB-200U modelo de sensor da família ACS758 200 é o 7 //sensibilidade é tida pela corrente de corte, não muda. float sensitivity[Fator_sensibilidade] ={ 20.0 // Para ACS758CB-200U }; float tensao_quiescente_de_saida [Vout] ={ 0.12 // Para ACS758CB-200U Determinado nos memoriais dos calculos }; String SENSOR_TENSAO1 = ZMPT101B.A0; String SENSOR_TENSAO2 = ZMPT101B.A1; String SENSOR_TENSAO3 = ZMPT101B.A2; float tensao_detectada1 = SENSOR_TENSAO1; float tensao_detectada2 = SENSOR_TENSAO2; float tensao_detectada3 = SENSOR_TENSAO3; const float Fator_sensibilidade = sensitivity[modelo]/1000; // configura a sensibilidade para a variavel modelo const float Vout = tensao_quiescente_de_saida[modelo] * VCC;// configura a tensao quiescente de saida em funcao da alimentacao VCC float variacao_detectada = Fator_sensibilidade/corrente_cut_off; // converte a corrente de corte para variações detectavel no arduino em mV void setup() { Serial.begin(9600);// inicializa a serial } voidloop() { float tensao_lida1 = (5.0/1023.0)*analogRead(VIN1); // Ler a tensão no pino analogico e armazena em VIN1 tensao_detectada1 = tensao_lida1 - Vout + 0.007; // 0.007 valor da corrente para a tensao zero float corrente_detectada1 = tensao_detectada1 / Fator_sensibilidade; float tensao_lida2 = (5.0/1023.0)*analogRead(VIN2); // Ler a tensão no pino analogico e armazena em VIN2 tensao_detectada2 = tensao_lida2 - Vout + 0.007; // 0.007 valor da corrente para a tensao zero float corrente_detectada2 = tensao_detectada2 / Fator_sensibilidade; float tensao_lida3 = (5.0/1023.0)*analogRead(VIN3); // Ler a tensão no pino analogico e armazena em VIN3 tensao_detectada3 = tensao_lida3 - Vout + 0.007; // 0.007 valor da corrente para a tensao zero float corrente_detectada3 = tensao_detectad3a / Fator_sensibilidade; if(abs(tensao_dectectada) > variacao_detectada){ Serial.println("Tensao de Linha VAB: "); Serial.println(tensao_dectectada1,2);// Mostra a tensao de linha com 2 casas decimais Serial.println("V"); Serial.println("Tensao de Linha VCA: "); Serial.println (tensao_dectectada2,2);// Mostra a tensao de linha com 2 casas decimais Serial.println("V"); Serial.println("Tensao de Linha VCN: "); Serial.println(tensao_dectectada3,2);// Mostra a tensao de linha com 2 casas decimais Serial.println("V"); Serial.println("Corrente de Linha IAB: "); Serial.println (corrente_dectectada1,2); // Mostra a corrente de linha com 2 casas decimais Serial.println("A"); Serial.println("Corrente de Fase IAN: "); Serial.println(corrente_dectectada2,2); // Mostra a corrente de linha com 2 casas decimais Serial.println("A"); Serial.println("Corrente de Linha ICA: "); Serial.println(corrente_dectectada3,2); // Mostra a corrente de linha com 2 casas decimais Serial.println("A"); }else{ Serial.println(RESET) } delay(3000); If(corrente_dectectada1=corrente_dectectada2){ Serial.println("Configuração é estrela equlibrada") }else{ If(tensao_dectectada3 \= tensao_dectectada2){ Serial.println("Configuração é estrela desquilibrada") }} If(tensao_dectectada3 = tensao_dectectada2){ Serial.println("Configuração é triângulo equlibrada")} else{If(corrente_dectectada1 = corrente_dectectada2){Serial.println("Configuração é triângulo desquilibrada") }} int Qcv = Serial.input("Quantos cavalos-valores do motor:"); //Solicita ao usuário o número de cavalos vapores o motor instalado possui float Pin = Qcv*735.5 // Converte a potencia em CV para W float S = sqrtf(3)*corrente_dectectada1*tensao_dectectada1 //Potencia aparente a partir dos valores mensurados float Fp = Pin / S \\Calcula o fator de potencia e armazena em Fp Serial.println("Fator de potência atual:") Serial.println(Fp,3) \\ Mostra o fator de potência com 3 casas decimais float phi2 = arccosf(.92); \\ angulo de correção da ANEEL float phi1 = arccosf(Fp); \\ angulo do fator atual float Qc = (tan(phi1)-tan(phi2))*Pin; \\Calcula a potencia reativa necessaria para cair a potencia aparente atual float Ceq = Qc/(18.246*10+6)*10+6; \\Calcula e armazena o valor da capacitância do banco em Ceq (em microfarad); Serial.println("Capacitância equivalente Ceq:") Serial.println(Ceq,2); \\ Mostra a capacitância com 2 casas decimais Serial.println("uF"); radio.openReadingPipe(1,pipes[1]); \\envia os dados para antena dos prints e valores; radio.printDetails()}; file://///envia FLUXOGRAMA (INTERFACE SOFTWARE-HARDWARE) (BERNARDO, H.) SIMULAÇÃO DO DISPOSITIVO DO MEDIDOR TRIFÁSICO (BERNARDO, H.) O dispositivo do medidor foi projetado inicialmente em um sistema de alimentação de um motor trifásico na configuração estrela, como mostra a Fig. 9: Figura 9: Protótipo instalado no sistema trifásico em estrela. Fonte: AUTOR. Assim com a configuração em estrela do motor e o protótipo instalado, foi simulado para o sistema em equilíbrio, conforme a Fig. 10: n n n rd ino o e r do o s ot o ire ess ntenn s o e Figura 10: Simulação em condição estrela do motor trifásico (equilibrado). Fonte: AUTOR. O microcontrolador recebe os sinais de tensão trifásica e os sinais de correntes dos sensores instalados, assim, pelo código escrito da serial, realiza uma ação de comando pelo laço em loop comparando a corrente trifásica da linha com a de fase e verifica se são iguais 𝐼𝐴𝑁 = 𝐼𝐶𝐴 (mensuradas pelos sensores de tensão), assim a condição ‘se’ é verd deir e o sin envi do r nten é infor ção ao usuário que o sistema é estrela e está equilibrado, bem como os valores do fator de potência e o valor de capacitância equivalente para implementação do banco de dados. Assim, para provocar um desequilíbrio no sistema trifásico diminui-se a tensão da fase 𝑉𝐶𝑁 de 220.8 V para 219 V de forma que esta súbita variação de tensão na fase, provoque uma pequena variação nas correntes de fases, isto acontece de acordo com a Fig. 11: Figura 11: Simulação em condição estrela do motor trifásico (desequilibrado). Fonte: AUTOR. est for ondição ‘se’ não é is satisfeita pois as correntes de linhas e fases não são mais iguais, 𝐼𝐴𝑁 ≠ 𝐼𝐶𝐴, assim, o microcontrolador analisa as tensões de fases e linhas e verifica que elas estão em uma relação de √3 definindo se a configuração é triangulo, como se verifica as tensões de fases e linhas medidos anteriormente não satisfazem esta relação, permanecendo em estrela. Portanto, o sinal enviado para o usuário pelo módulo da antena é a informação da configuração em estrela desequilibrada, bem como os valores de fator de potência e a capacitância de correção. Figura 12: Simulação em condição triângulo do motor trifásico (equilibrado). Fonte: AUTOR. Analogamente, se realizou a mesma operação para a configuração em triângulo do motor e com o protótipo instalado, foi simulado para o sistema em equilíbrio, conforme a Figura 12. O princípio de funcionamento para o microcontrolador também semelhante uma vez que recebe os sinais de tensão trifásica e os sinais de correntes dos sensores instalados, assim, pelo código escrito da serial, realiza uma ação de comando pelo laço em loop comparando a tensão trifásica da linha com a de fase e verifica se são iguais 𝑉𝐴𝐵 = 𝑉𝐶𝑁 (mensuradas pelos sensores de tensão), ssi ondição ‘se’ é verd deir e o sin envi do r nten é infor ção ao usuário que o sistema é triângulo e está equilibrado, bem como os valores do fator de potência e o valor de capacitância equivalente para implementação do banco de dados da correção do fator de potência. Similarmente, para um desequilíbrio no sistema trifásico diminui-sea tensão da fase 𝑉𝐶𝑁 de 221.2 V para 219.1 V de forma que esta súbita variação de tensão na fase, provoque uma pequena variação nas tensões de fases, isto acontece de acordo com a Fig. 13: Figura 13: Simulação em condição triângulo do motor trifásico (desequilibrado). Fonte: AUTOR. ondição ‘se’ não é s tisfeit ois s tensões de inh s e f ses não são is iguais, 𝑉𝐴𝐵 ≠ 𝑉𝐶𝑁, assim, o microcontrolador analisa as correntes de fases e linhas e verifica que elas estão em uma relação de √3 definindo se a configuração é estrela, como se verifica as tensões de fases e linhas medidos anteriormente não satisfazem esta relação, permanecendo em triângulo. Portanto, o sinal enviado para o usuário pelo módulo da antena é a informação da configuração em triângulo desequilibrada, bem como os valores de fator de potência e a capacitância de correção. Observação importante: Para a realização do cálculo de fator de potência, o dispositivo solicita ao usuário a quantidade de cavalos-vapores da carga motora instalada, e calcula a partir desta informação a potência ativa do sistema, tomando como base os valores de referência de tensão da rede 220 𝑉𝑟𝑚𝑠 e a frequência 60 𝐻𝑧, tal cálculo reflete nos valores do banco de capacitores para a correção do fator de potência. LAYOUT E DESING DO PROTÓTIPO (EM CIRCUITO IMPRESSO) (BERNARDO, H.) A placa projeta foi utilizada com os componentes já especificados, juntamente com conectores de bornes (que permitem a conexão não-invasiva) e uma placa de fibra de vidro cobreada de espessura especificada. As figuras 14, 15, 16 e 17 mostram as respectivas visões da perspectiva do modelo prototipado e pronto para a confecção em escala industrial: Figura 14: Visão superior da placa de circuito impresso do medidor trifásico. Fonte: AUTOR. Figura 15: Visão frontal da placa de circuito impresso do medidor trifásico. Fonte: AUTOR. Figura 16: Visão lateral direita da placa de circuito impresso do medidor trifásico. Fonte: AUTOR. Figura 17: Visão lateral esquerda da placa de circuito impresso do medidor trifásico. Fonte: AUTOR. Os resistores são capazes de comportar tensões e correntes altas (em algumas centenas de volts e amperes) pois são componentes de potências, bem como a escolha e a seleção da placa de fibra de vidro, juntamente com os componentes dos bornes de terminal. Observação importante: As cores dos componentes dos conectores são meramente ilustrativas, uma vez que o dispositivo selecionado pela equipe para compatibilidade da corrente não possui na biblioteca do Proteus (software utilizado), porém suas conexões de pinagem e ilhas são as mesmas para fins de projeto. PORTANTO, NÃO HÁ SIGNIFICÂNCIA NA ALTERAÇÃO DAS CORES. ORÇAMENTO (FEITOSA, Júlio C.) Realizou-se um levantamento dos preços unitários nas seguintes lojas para a realização do projeto, os quais estão tabelados na Tabela 6: ORÇAMENTO DISPOSITIVO QTN LOJA VALOR UN. (R$) Arduino + conectores 1 Americanas 89,90 Sensor de corrente (ACS755SCB-200A) 3 Baú da eletrônica 62,82 Sensor de tensão (ZMPT101B) 3 Eletro Gate 32,90 Módulo Wireless STM Antennas Molex 1 Baú da eletrônica 36,90 Resistor 300 𝑘Ω 3 Baú da Eletrônica 1,50 Resistor 2.5 Ω 3 Baú da Eletrônica 1,00 Capacitor . 2 𝜇𝐹 1 Baú da Eletrônica 2,00 Placa de fibra de vidro cobreada 1 Usinainfo 16,97 Conectores Bornes de Fonte Usina 9 Eletrônica Novo Som 29,00 Valor Total 701,43 Tabela 6: Lista de componentes necessários para execução do projeto. RESULTADOS OBSERVADOS DA DIAGRAMAÇÃO UNIFILAR (FEITOSA, Júlio C.) O circuito foi planejado para ser utilizado em circuitos de escala industrial, ele possibilitara o maior controle e disposição de informações sobre a eficiência energética do local, além de promover e auxiliar no ajuste no sistema para que o mesmo se torne mais eficiente. Com auxílio de sensores de tensão e corrente, dos equipamentos já existentes na subestação, os quais monitoram a voltagem entregue pela a distribuidora e voltagem e corrente depois de convertida de media para baixa tensão, pode-se medir o fator de potência e corrigir o mesmo quando ele estiver a abaixo do ideal, e visualizar a potência fornecida, e entender a partir dessas informações qual a melhor configuração para a carga do sistema e comuta-la, através de um relé comutador instalado antes da entrada das cargas no sistema. Essas informações poderão ser visualizadas em um central de controle, através de um computador no qual terá o programa do equipamento, o Arduino pode conter um modulo Wi-Fi instalado ou via cabo USB conectado diretamente a central, os são responsáveis por enviar as informações até o programa disponibilizando informações novas sobre o sistema de distribuição de força a cada 15 s. Com informações novas e em tempo real, pode-se projetar soluções rápidas, a fim de evitar prejuízos quanto o mal funcionamento e o mal aproveitamento da energia adquirida pela empresa. CONCLUSÃO (BERNARDO, H. & FEITOSA, Júlio C.) Diante dos resultados apresentados pelo dispositivo medidor prototipado, da modelagem das simulações e seus valores bem condizentes com a realidade proposta de medição e projeto, conclui-se que o projeto cumpre com êxito, e excelência de forma precisa com as especificações e requisitos dos critérios impostos para a implementação do dispositivo (medição de correntes e tensões trifásicas, fator de potência, condição do sistema quanto a configuração e equilíbrio e a capacitância de correção), ademais, além da vasta aplicação destes equipamentos em escala industrial como se verifica na Fig. 18: Figura 18: Esquematização final do medidor em uma aplicação industrial requerida. Fonte: AUTOR. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (BERNARDO, H.) [1] ARAÚJO, Marcel. Circuito trifásico: Parte 1. 30 ago. 2021, 11 dez. 2021. 36 p. Notas de Aula. Arquivo (slide) em formato .pdf da disciplina de Componentes de Sistemas Elétricos do Curso de Eng. Elétrica da Unidade Acadêmica de Cabo Santo Agostinho (UACSA), UFRPE, disponibilizada na plataforma acadêmica do SIGAA. [2] ______________. Circuito trifásico: Parte 2. 30 ago. 2021, 11 dez. 2021. 23 p. Notas de Aula. Arquivo (slide) em formato .pdf da disciplina de Componentes de Sistemas Elétricos do Curso de Eng. Elétrica da Unidade Acadêmica de Cabo Santo Agostinho (UACSA), UFRPE, disponibilizada na plataforma acadêmica do SIGAA. [3] ______________. Fundamentos de Sistemas Elétricos. 30 ago. 2021, 11 dez. 2021. 42 p. Notas de Aula. Arquivo (slide) em formato .pdf da disciplina de Componentes de Sistemas Elétricos do Curso de Eng. Elétrica da Unidade Acadêmica de Cabo Santo Agostinho (UACSA), UFRPE, disponibilizada na plataforma acadêmica do SIGAA. [4] ________________. Aspectos Básicos sobre Transmissão (CA e CC) e Distribuição de Energia Elétrica. 30 ago. 2021, 11 dez. 2021. 40 p. Notas de Aula. Arquivo (slide) em formato .pdf da disciplina de Componentes de Sistemas Elétricos do Curso de Eng. Elétrica da Unidade Acadêmica de Cabo Santo Agostinho (UACSA), UFRPE, disponibilizada na plataforma acadêmica do SIGAA. [5] _________________. Estrutura dos Sistemas de Energia e Principais Formas de Geração. 30 ago. 2021, 11 dez. 2021. 36 p. Notas de Aula. Arquivo (slide) em formato .pdf da disciplina de Componentes de Sistemas Elétricos do Curso de Eng. Elétrica da Unidade Acadêmica de Cabo Santo Agostinho (UACSA), UFRPE, disponibilizada na plataforma acadêmica do SIGAA. [6] BRASIL. ANEEL, Agência Nacional de Energia Elétrica. Relatório de Gestão 2012. Disponível em <https://www.aneel.gov.br/documents/656835/14876457/2013_Relatorio2012/c2c4a7bb-26ad-a4bb-c4cb-05041fe90fa2>. Acesso em 25 set. 2021, às 20h e 40 min. [7] BRASIL. ANEEL, Agência Nacional de Energia Elétrica. Resolução Normativa nº 414 de 9 set. 2010. Do Fator de Potência e do Reativo Excedente. 158 - 293 p. Disponível em < http://www.aneel.gov.br/documents/656877/14486448/bren2010414.pdf/3bd332 97-26f9-4ddf-94c3-f01d76d6f14a?version=1.0>. Acesso em 25 set. 2021, às 20h e 58 min. https://www.aneel.gov.br/documents/656835/14876457/2013_Relatorio2012/c2c4a7bb-26ad-a4bb-c4cb-05041fe90fa2 https://www.aneel.gov.br/documents/656835/14876457/2013_Relatorio2012/c2c4a7bb-26ad-a4bb-c4cb-05041fe90fa2 http://www.aneel.gov.br/documents/656877/14486448/bren2010414.pdf/3bd33297-26f9-4ddf-94c3-f01d76d6f14a?version=1.0 http://www.aneel.gov.br/documents/656877/14486448/bren2010414.pdf/3bd33297-26f9-4ddf-94c3-f01d76d6f14a?version=1.0 [8] BRASIL. MME. EPE, Empresa de Pesquisa Energética. Balanço Energético Nacional: Relatório de Síntese 2019. Rio de Janeiro, 2019. Relatório. Disponível em < https://www.epe.gov.br/sites-pt/publicacoes-dados- abertos/publicacoes/PublicacoesArquivos/publicacao-377/topico- 494/BEN%202019%20Completo%20WEB.pdf>. Acesso em 25 set. 2021, às 21h e 05 min. [9] UOL, Governo cria nova bandeira, e taxa extra na conta de luz vai subir 50%. UOL Economia. São Paulo, 31 ago. 2021. Website. Disponível em <https://economia.uol.com.br/noticias/redacao/2021/08/31/conta-de-luz- bandeira-tarifaria-aumento.htm>. Acesso em 24 set. 2021, às 2h e 15 min. [10] DA SILVA, J. H. V. Proposta de um protótipo de um analisador de Qualidade de Energia Elétrica. Set. 2017, 103 p. Trabalho de Conclusão de Curso/Monografia (Bacharel em Engenharia Elétrica e Computação). Escola Politécnica, UFRJ. Rio de Janeiro, 2017. Disponível em <<http://repositorio.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10022628.pdf>>. Acesso 24 set. 2021, às 14h e 23 min. [11] SANTOS, G. D. O. Qualidade de Energia Elétrica na Indústria. Itatiba, Universidade São Francisco, 2012. [12] UPE, Universidade de Pernambuco. Projeto Pedagógico de Curso: Bacharel em Engenharia Eletrotécnica. 2017. 127 p. Documento Normativo. Escola Politécnica de Pernambuco (POLI), UPE. Recife: Dez. 2017. Disponível em << http://www.upe.br/anexos/graduacao/ENG_ELETROTECNICA_POLI_2018.pdf >> Acesso em 24 set. 2021, às 13h e 21 min. [13] MIYASAKA, Gabriel. Análise do desempenho de Medidores de energia elétrica ativa em condições distorcidas e desequilibradas. 2020. 129 p. Dissertação (Mestrado em Ciências). Faculdade de Engenharia Elétrica, UFU. Uberlândia, 2020. Disponível em <https://repositorio.ufu.br/bitstream/123456789/29009/3/An%C3%A1liseDesem penhoMedidores.pdf >. Acesso 24 set. 2021, às 15h e 23 min. [14] SANTOS, E. T. et al. Protótipo Trifásico para Monitoramento de Consumo de Energia Elétrica Utilizando A Plataforma Arduino. Brazilian Applied Science Review, Curitiba, v. 4, n. 5, p. 2939-2953, set./out. 2020. Disponível em << https://www.researchgate.net/publication/344906744_Prototipo_Trifasico_para_ Monitoramento_de_Consumo_de_Energia_Eletrica_Utilizando_A_Plataforma_ Arduino>>. Acesso 24 set. 2021, às 21h e 36 min. https://www.epe.gov.br/sites-pt/publicacoes-dados-abertos/publicacoes/PublicacoesArquivos/publicacao-377/topico-494/BEN%202019%20Completo%20WEB.pdf https://www.epe.gov.br/sites-pt/publicacoes-dados-abertos/publicacoes/PublicacoesArquivos/publicacao-377/topico-494/BEN%202019%20Completo%20WEB.pdf https://www.epe.gov.br/sites-pt/publicacoes-dados-abertos/publicacoes/PublicacoesArquivos/publicacao-377/topico-494/BEN%202019%20Completo%20WEB.pdf https://economia.uol.com.br/noticias/redacao/2021/08/31/conta-de-luz-bandeira-tarifaria-aumento.htm https://economia.uol.com.br/noticias/redacao/2021/08/31/conta-de-luz-bandeira-tarifaria-aumento.htm http://repositorio.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10022628.pdf http://www.upe.br/anexos/graduacao/ENG_ELETROTECNICA_POLI_2018.pdf http://www.upe.br/anexos/graduacao/ENG_ELETROTECNICA_POLI_2018.pdf https://repositorio.ufu.br/bitstream/123456789/29009/3/An%C3%A1liseDesempenhoMedidores.pdf https://repositorio.ufu.br/bitstream/123456789/29009/3/An%C3%A1liseDesempenhoMedidores.pdf https://www.researchgate.net/publication/344906744_Prototipo_Trifasico_para_Monitoramento_de_Consumo_de_Energia_Eletrica_Utilizando_A_Plataforma_Arduino https://www.researchgate.net/publication/344906744_Prototipo_Trifasico_para_Monitoramento_de_Consumo_de_Energia_Eletrica_Utilizando_A_Plataforma_Arduino https://www.researchgate.net/publication/344906744_Prototipo_Trifasico_para_Monitoramento_de_Consumo_de_Energia_Eletrica_Utilizando_A_Plataforma_Arduino
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