UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL - UNIJUÍ
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS - DCEENG BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
LUIS FELIPE BIANCHI CARBONERA
PROJETO E DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE AQUISIÇÃO APLICANDO CONCEITOS DE INSTRUMENTAÇÃO VIRTUAL
Ijuí 2013
LUIS FELIPE BIANCHI CARBONERA
PROJETO E DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE AQUISIÇÃO APLICANDO CONCEITOS DE INSTRUMENTAÇÃO VIRTUAL
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, com requisito parcial para obtenção do Grau de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Professor Me. Eng. Mauricio de Campos
Ijuí 2013
FOLHA DE APROVAÇÃO
A COMISSÃO ABAIXO ASSINADA APROVA O PRESENTE TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO INTITULADO:
PROJETO E DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE AQUISIÇÃO APLICANDO CONCEITOS DE INSTRUMENTAÇÃO VIRTUAL
ELABORADO POR
LUIS FELIPE BIANCHI CARBONERA
COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE ENGENHEIRO ELETRICISTA
COMISSÃO EXAMINADORA:
__________________________________ Orientador: Mauricio de Campos
__________________________________ Banca: Julio Cezar Oliveira Bolacell
AGRADECIMENTOS
À minha família pelo apoio ao longo de toda a graduação, me dando forças a sempre ir atrás dos meus sonhos.
À UNIJUÍ e aos professores pelo ensino, em especial, ao professor Mauricio de Campos pela orientação ao longo dos anos.
RESUMO
O acesso à energia elétrica tem propiciado uma série de benefícios, tanto em nível de comodidade/conforto quanto à de segurança da população. Estes benefícios fazem com que as pessoas fiquem cada dia mais dependentes da energia elétrica para a grande maioria das suas atividades. Isto tem incrementado a preocupação com a manutenção da qualidade da energia elétrica fornecida pelas concessionárias, em todos os níveis de tensão. A introdução de computadores na automação e medição levou nos últimos anos a evolução dos instrumentos de aquisição e monitoramento de dados. Diversos instrumentos analógicos ou digitais podem ser concentrados em um único instrumento digital. Assim, a proposta deste trabalho foi de projeto e desenvolvimento de um sistema de aquisição, utilizando conceitos de instrumentação virtual. Nesta modalidade, o hardware desenvolvido apenas amostra os dados dos sensores e armazena-os em memórias apropriadas. O processamento de todos os cálculos de valores eficazes, fator de potência, potência ativa, potência reativa, potência aparente e transformada de Fourier são realizados por um software desenvolvido em JAVA. Após realizar um estudo sobre os microcontroladores existentes, data loggers e cartões de memória SD e HDs, notou-se que o maior problema seria o armazenamento de dados, pois com o intuito de utilizar uma alta frequência de amostragem, muitos GBs de memória são utilizados. A alternativa que pareceu mais cabível para resolver o problema de armazenamento de dados, foi a de desenvolver o sistema baseando-se em uma Raspberry Pi que já conta com a parte do armazenamento de dados pronta. Com a definição do uso da Raspberry Pi os conversores analógicos-digitais (ADC) MCP3208 e AD7656 foram comparados com intuito de saber qual conseguiria um melhor funcionamento, porque a Raspberry Pin não conta com um ADC. Após exaustivos testes, o AD7656 foi selecionado por uma questão de velocidade e confiabilidade dos dados. O sistema desenvolvido foi de baixo custo se comparado com os Datalogger, Multimedidores de Grandezas Elétricas e Analisadores de QEE comerciais. Para mensurar o erro de medida, os resultados do sistema proposto foram comparados com um osciloscópio da Agilent. Os erros de medição foram satisfatórios para corrente e tensão RMS. Para a análise das harmônicas o erro passou de 4% indicando que possivelmente houve um somatório de pequenos erros desde a calibração dos sensores até os cálculos da FFT.
ABSTRACT
Access to electricity has provided a number of benefits, both in level of convenience / comfort about the safety of the population. These benefits make people become increasingly dependent on electricity for most of their activities. This has increased the concern with maintaining the quality of electricity supplied by utilities, at all voltage levels. The introduction of computers in automation and measurement has led in recent years the development of tools for data acquisition and monitoring. Several analog or digital instruments can be concentrated in a single digital instrument. Thus, the aim of this work was to design and develop an acquisition system using virtual instrumentation concepts. Where the hardware developed only sample the sensor data and stores them in appropriate memories. Processing all calculations of rms values, power factor, active power, reactive power, apparent power and Fourier transform are performed by software developed in JAVA. After conducting a study on the existing microcontrollers, data loggers and SD memory cards and hard drives noted that the biggest problem would be storing data because, in order to use a high sampling frequency, many GBs of memory are used. The alternative that seemed more appropriate to solve the problem of data storage was to develop the system based on a Raspberry Pi already has part of the data storage ready. With the definition of the use of the Raspberry Pi analog-to-digital converters (ADC) MCP3208 and AD7656 were compared to see what could work better because the Raspberry Pin does not have an ADC. After extensive testing the AD7656 was selected for the sake of speed and reliability. The developed system was inexpensive compared with Datalogger, multimeters and analyzers of Electrical Quantities of PQ commercial. To learn the error of measurement results of the proposed system were compared with an oscilloscope from Agilent. Measurement errors were satisfactory for current and rms voltage. For the analysis of harmonic error increased from 4% indicating that there was possibly a summation of small errors from the calibration of the sensors to the FFT calculations.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1: Surto ou Impulso ... 20
Figura 2: Interferência Eletromagnética (EMI) ... 21
Figura 3: Afundamento de Tensão ... 21
Figura 4: Elevação de Tensão ... 22
Figura 5: Flutuação de Tensão ... 22
Figura 6. Recorte de Tensão ... 23
Figura 7: Variação de Frequência ... 23
Figura 8: Interrupção de Fornecimento ... 24
Figura 9: Desequilíbrio de Tensão ... 24
Figura 10: Representação da Série de Fourier ... 25
Figura 11: Diagrama de ligação do TC ... 27
Figura 12: Paralelogramo de exatidão ... 28
Figura 13: Esquema de um transdutor óptico ... 29
Figura 14 - Efeito Hall ... 30
Figura 15: Resistor Shunt ... 30
Figura 16: Esquema de ligação do resistor Shunt ... 31
Figura 17: Bobina de Rogowski ... 32
Figura 18: Exemplo de Transformadores de Medição... 33
Figura 19: Divisor Resistivo ... 33
Figura 20: Transdutor de Tensão ... 34
Figura 21: Estrutura básica de um instrumento virtual ... 35
Figura 22: Software implementado ... 37
Figura 23: Tensão RMS em janelas de 0,2 segundos ... 38
Figura 24: Detector PLL de componente fundamental ... 40
Figura 25: Raspberry Pi ... 43
Figura 26: Módulos da Raspberry Pi ... 44
Figura 27: Esquema funcional MCP3208 ... 46
Figura 28: Esquema funcional AD7656 ... 47
Figura 29: Comunicação SPI ... 48
Figura 30: Polaridade de Clock e Fase da SPI ... 49
Figura 32: Transformador de Medição ... 51
Figura 33: Esquemático Circuito de Aquisição ... 52
Figura 34: Placa de Conversão Analógico-Digital ... 53
Figura 35: Sequência da SPI no AD7656 ... 53
Figura 36: Formas de Onda da Tensão e Corrente Osciloscópio Agilent ... 57
Figura 37: Formas de Onda da Tensão e Corrente do Sistema Proposto ... 57
Figura 38: Corrente de Partida Motor Assíncrono ... 58
Figura 39: Espectro Harmônico Osciloscópio Agilent ... 59
Figura 40: Espectro Harmônico do Sistema Proposto ... 60
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Comparações de Frequência de Amostragem Entre Dois ADCs Diferentes e Com Metodologias Distintas ... 55 Tabela 2: Comparações de Medições de Tensão e Corrente RMS com uma Carga Resistiva ... 56 Tabela 3: Comparações de Medições de Tensão e Corrente RMS com Acionamento de Motor Assíncrono ... 58 Tabela 4: Comparação de Medições da Transformada de Fourier entre Medições do Sistema Proposto e do Osciloscópio AGILENT ... 59
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
Abreviatura Significado
SEP Sistema Elétrico de Potência
QEE Qualidade da Energia Elétrica
PRODIST Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico
Nacional
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
ONS Operador Nacional do Sistema
SIN Sistema Interligado Nacional
TP Transformador de Potencial
TC Transformador de Corrente
PWM Pulse Width Modulation
IHM Interface Homem-Máquina
EMI Interferência Eletromagnética
FCR Fator de Correção de Relação
ADC Conversor Analógico Digital
CC Curto-Circuito
RT Relação de Transformação
RMS Root Mean Square
MCU Microcontrolador
FPGA Field-Programmable Gate Array
FP Fator de Potência
DHT Distorção Harmônica Total
FFT Fast Fourier Transform
P Potência Ativa
Q Potência Reativa
PLL Phase Locked Loop
DSP Digital Signal Processor
SPI Serial Peripheral Interface
SS Slave Select
SCLK Serial Clock
LISTA DE SÍMBOLOS
Símbolo Significado Unidade
β Σ Ângulo de Fase Desvio padrão Minutos - FP Fator de potência - F Frequência Hertz
P Potência ativa Watt
Q Potência reativa Volt Ampère
Reativo
Rshunt Resistência do Resistor Shunt Ohm
S Potência aparente Volt Ampère
dl Elemento Infinitesimal
H Intensidade do Campo Magnético
Nj Amostra
V(n) Tensão n Amostrada Volt
I(n) Corrente n Amostrada Ampère
α Ângulo da Direção do Campo
V1 Tensão do primário Volt
V2 Tensão do secundário Volt
Vi Tensão de entrada Volt
Vo Tensão de Saída Volt
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ... 14 1.1. Considerações gerais ... 14 1.2. Objetivos do trabalho ... 15 1.3. Importância do trabalho ... 16 1.4. Estrutura do trabalho ... 16
2. QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA E SUAS NORMAS ... 18
2.1. Normatização da QEE no Brasil ... 18
2.2. Distúrbios de QEE ... 20
3. ASPECTOS FUNDAMENTAIS NA MEDIÇÃO DE CORRENTE E TENSÃO 26 3.1. Tipos de medição de corrente ... 26
3.1.1. Transformadores de corrente indutivos ... 26
3.1.2. Transdutores ópticos ... 28
3.1.3. Transdutores de Efeito Hall ... 29
3.1.4. Resistores Shunts ... 30
3.1.5. Bobina de Rogowski ... 31
3.2. Tipos de medição de tensão ... 32
3.2.1. Transformador de Potencial... 32
3.2.2. Divisor Resistivo ... 33
3.2.3. Transdutor de Tensão ... 34
4. INSTRUMENTAÇÃO VIRTUAL E SEUS ASPECTOS ... 35
4.1. Vantagens da Instrumentação Virtual... 35
4.2. Implementação do software e escolha da linguagem de programação ... 36
4.3. Rotinas de cálculos aplicadas em software... 37
4.3.1. Valor Eficaz ... 38
4.3.2. Fator de Potência (FP) ... 39
4.3.3. Distorção Harmônica Total (DHT)... 40
4.3.4. Fast Fourier Transform (FFT) ... 41
5. IMPLEMENTAÇÃO PRÁTICA ... 43
5.1. Raspberry Pi ... 43
5.2. Conversor Analógico-Digital (ADC) ... 45
5.3. Serial Peripheral Interface Bus (SPI)... 47
5.4. Sensores de tensão e corrente ... 50
5.5. Circuitos de aquisição ... 51
6. RESULTADOS EXPERIMENTAIS ... 55
6.1. Taxa de Amostragem ... 55
6.2. Medição de corrente e tensão ... 56
6.3. FFT da tensão ... 59
6.4. Rotina de cálculo da DHT por PLL ... 60
7. CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 62
1. INTRODUÇÃO
1.1. Considerações gerais
O acesso à energia elétrica tem propiciado uma série de benefícios, tanto em nível de comodidade/conforto quanto à de segurança da população. Estes benefícios fazem com que as pessoas fiquem cada dia mais dependentes da energia elétrica para a grande maioria das suas atividades. Isto tem incrementado a preocupação com a manutenção da qualidade da energia elétrica fornecida pelas concessionárias, em todos os níveis de tensão, para que não ocorram problemas em equipamentos por causa da sua possível má procedência (MEHL,2011).
O sistema elétrico de potência (SEP) é responsável por distribuir a energia elétrica assim possibilitando que os consumidores tenham acesso à eletricidade. A medição de valores de corrente e tensão deste sistema, representa a base dos processos de tarifação, controle e proteção de usinas, subestações e linhas de transmissão. O processo de medição dá-se em três segmentos: geração, transmissão e distribuição. Cada um destes segmentos deve repassar a energia elétrica ao segmento seguinte conforme os critérios de qualidade estabelecidos (MATANA, 2008).
Até a década de 70, a carga representada pelos consumidores residenciais era plenamente resistiva, salvo raras exceções. Em uma residência típica da época, encontram-se os chuveiros elétricos e os ferros de passar roupa. Os equipamentos eletrônicos resumiam-se em a um aparelho de TV. Mesmo com a existência de uma carga indutiva do motor do refrigerador, a demanda ainda podia ser considerada como carga resistiva (MEHL, 2011). Com o avanço da eletrônica tornou-se comum a existência de muitos tipos de cargas não lineares nas residências. Isto acabou modificando o panorama nacional profundamente dando origem a deformação na forma de onda de corrente e/ou tensão, o que afeta o sistema como um todo. Estas deformações nas formas de onda da tensão e corrente acabam interferindo no funcionamento de equipamentos que são sensíveis a oscilações e acabam causando grande prejuízo a indústrias e a residências. Assim, torna-se evidente a necessidade de análise e diagnóstico da qualidade da energia elétrica, com a finalidade de especificar as causas e possíveis resoluções de seus problemas (SANTOS, 2011).
Desde o início, quando a energia elétrica foi colocada como um produto, a manutenção da tensão e corrente na forma senoidal com frequência e amplitude constantes, já
se demonstrava como sendo uma prioridade das concessionárias de energia elétrica. Então, é possível perceber o porquê que atualmente os problemas de QEE tornaram-se habituais no vocabulário dos consumidores industriais e comerciais preocupados com sua produtividade. Os fabricantes de equipamentos eletroeletrônicos são responsáveis por difundir os produtos que depois estarão nas residenciais e, assim, também estão preocupados com as interferências eletromagnéticas de seus produtos no sistema (MATANA, 2008).
Surgiu, nos últimos anos, a possibilidade de se empregar computadores para a automação e medição. A vantagem disto foi a criação de um novo conceito. A instrumentação virtual, onde é possível aumentar a precisão, desempenho e principalmente a flexibilidade em comparação com a instrumentação tradicional. Nestes novos sistemas, o hardware se encarrega apenas da aquisição de dados. O computador fica com o encargo de realizar os cálculos e mostrar os resultados adquiridos.
1.2. Objetivos do trabalho
Os objetivos deste trabalho foram:
• Desenvolvimento de um sistema de instrumentação virtual para medição de um sistema trifásico em baixa tensão utilizando sensores de Efeito Hall para a corrente e divisores resistivos para a tensão;
• Implementação de um software baseado em linguagem Java e ambiente de programação Netbeans IDE para processar os dados adquiridos e apresentá-los ao usuário;
• Desenvolvimento do circuito de aquisição composto por uma Raspberry Pi capaz de suportar a conversão dos sinais em taxas adequadas, condicionamento e armazenamento em memórias não voláteis (cartões SDs e HDs externos);
• Realização de análises referentes à qualidade da energia elétrica (QEE) fornecida baseado nos seguintes aspectos para defini-la: tensão em regime permanente, fator de potência (FP), teor harmônicos, distorção harmônica total e desequilíbrio de tensão. Estes aspectos foram considerados em virtude de serem vinculados pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) em Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional (PRODIST) em seu módulo número 8.
1.3. Importância do trabalho
A medição de valores de corrente e tensão do sistema elétrico de potência, representa a base dos processos de tarifação, controle e proteção de usinas, subestações e linhas de transmissão (MATANA, 2008). Além disto, as próprias concessionárias fornecedoras de energia tem interesse na monitoração e manutenção da qualidade da energia elétrica alavancadas pelo órgão fiscalizador (ANEEL). Surge a necessidade de se adequar os instrumentos de medição à realidade de sistemas polifásicos com cargas não lineares e desbalanceadas.
Existe um mercado consolidado em analisadores e medidores com este fim, porém, por um preço alto. A proposta é de desenvolver um sistema de baixo custo e que possa ficar por semanas ou até meses realizando medições sem intervenção. Assim, torna-se cabível avaliar os problemas de uma rede de alimentação, seja a rede em uma indústria ou de uma residência.
A maior motivação deste trabalho foi mostrar que a instrumentação virtual é uma solução muito interessante para a análise da QEE por suas vantagens de flexibilidade. Com ele é facilmente possível realizar uma melhoria do produto apenas modificando o seu software sem precisar alterar o hardware do sistema.
1.4. Estrutura do trabalho
Os próximos capítulos deste trabalho tratam dos seguintes aspectos:
• Capitulo 2: Apresenta uma revisão bibliográfica sobre os conceitos de QEE e ainda os seus respectivos problemas associados. Discute também a normatização da QEE no Brasil.
• Capitulo 3: Descreve os aspectos fundamentais na medição de corrente e tensão. Apresenta as vantagens e desvantagens do uso dos sensores estudados.
• Capitulo 4: Descreve a instrumentação virtual, discutindo as vantagens de utilizar este tipo de instrumentação, assim como sobre as rotinas de cálculos utilizadas no software desenvolvido.
• Capitulo 5: Descreve detalhes sobre o sistema desenvolvido para a medição de tensão e corrente. Apresenta a Rapberry Pi, o conversor analógico-digital(ADC) que foi
acoplado a Raspberry Pi via Serial Pheripheral Inteface (SPI), os sensores utilizados e o circuito de aquisição.
• Capitulo 6: Demonstra os resultados obtidos de medições de corrente, tensão, Fast Fourier Transform (FFT), taxa de amostragem com os conversores e formas de onda.
2. QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA E SUAS NORMAS
Em definição, o termo QEE pode ser definido como uma combinação dos distúrbios de corrente, tensão e de desvio da frequência (COLNAGO, 2009). Estes problemas são vistos desde o sistema de distribuição de energia até às instalações elétricas nos consumidores. Desta forma, o monitoramento da QEE acaba ganhando uma grande importância para avaliar o desempenho de um sistema elétrico, porque com ele é possível estabelecer os níveis de perturbações que existem na rede.
2.1. Normatização da QEE no Brasil
Para saber como mensurar os níveis de distúrbios e seus limites aceitáveis, surgiram as preocupações em entidades como a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), do Operador Nacional do Sistema (ONS) e da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL). Nos próximos parágrafos, as normas relativas a cada entidade serão apresentadas.
A ABNT foi responsável por elaborar a norma NBR IEC 61000-4-30 referente a “Técnicas de Medição – Métodos de Medição da Qualidade da Energia Elétrica” que orienta sobre os procedimentos para avaliar os valores medidos. Para tanto, a norma precisou especificar um detalhamento que abrange os métodos, desempenho requerido, incertezas e faixas de valores por diversos parâmetros (Belchior, 2009). O ONS é responsável pela coordenação e controle da operação das instalações de energia elétrica no Sistema Interligado Nacional (SIN) sob fiscalização da ANEEL. Entre os documentos normativos, destacam-se os Procedimentos de Rede que definem os procedimentos e os requisitos necessários à realização das atividades de planejamento de operação do SIN. Dentre os módulos existentes dos Procedimentos de Rede, sobressai-se o submódulo 25.6 que fala sobre os indicadores de qualidade de energia elétrica (frequência e tensão) (SANTOS, 2011).
A ANEEL através dos Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional (PRODIST) normatiza e padroniza as atividades técnicas relacionadas ao funcionamento e desempenho dos sistemas de distribuição de energia elétrica. O PRODIST contém nove módulos. Tratam sobre o relacionamento entre as distribuidoras de energia elétrica e os demais agentes (consumidores e geração) conectados aos sistemas de distribuição. Os nove módulos apresentados:
• Módulo 1 – Introdução
• Módulo 2 – Planejamento da Expansão do Sistema de Distribuição • Módulo 3 – Acesso ao Sistema de Distribuição
• Módulo 4 – Procedimentos Operativos do Sistema de Distribuição • Módulo 5 – Sistemas de Medição
• Módulo 6 – Informações Requeridas e Obrigações • Módulo 7 – Cálculo de Perdas na Distribuição • Módulo 8 – Qualidade de Energia Elétrica • Módulo 9 – Ressarcimento de Danos Elétricos
O Módulo 8 é o que diz respeito sobre a QEE e os seus principais objetivos são de estabelecer os procedimentos relativos à QEE abordando sobre o produto e serviço prestado. Para estabelecer a qualidade do produto, o módulo define ainda a terminologia, caracteriza os fenômenos, parâmetros e valores de referencia relativos à conformidade de tensão em regime permanente e as perturbações na forma de onda da tensão (ANEEL, 2010). Estabelece mecanismos que possibilitam fixar padrões para os indicadores da QEE. Os indicadores definidos são:
• Tensão em regime permanente, • Fator de Potência,
• Harmônicos;
• Desequilíbrio de tensão; • Flutuação de tensão;
• Variações de tensão de curta duração; • Variação de frequência.
Este trabalho visou desenvolver um sistema de medição virtual que contemple a análise da tensão em regime permanente, o fator de potência, harmônicos e desequilíbrio de tensão.
2.2. Distúrbios de QEE
Dependendo do nível da perturbação, estes podem causar uma série de distúrbios no sistema elétrico. As causas e tipos de distúrbios de QEE são vários, os mais comuns serão detalhados a seguir:
a) Surto ou Impulso: é caracterizado como uma brusca mudança nas condições de regime permanente com duração de 0,5us a 2ms. Tem uma rápida subida e um decaimento oscilatório amortecido ou exponencial de 50V até 6kV (COLNAGO, 2009). As causas deste distúrbio são descargas atmosféricas, chaveamentos de cargas e de equipamentos da rede. Na Figura 1, abaixo, pode-se observar como um impulso se caracteriza:
Figura 1: Surto ou Impulso
FONTE: (COLNAGO, 2009).
b) Interferência Eletromagnética (EMI): caracteriza-se como sendo distúrbios repetitivos de baixa energia na faixa de 10kHz a 1GHz, com 100mV a 100V de amplitude (COLNAGO, 2009). Se um dispositivo eletrônico produzir durante seu funcionamento variações rápidas de tensão ou corrente, este equipamento se tornará uma fonte de emissão de ondas eletromagnéticas podendo interferir em outros equipamentos próximos a ele. A Figura 2 apresenta o distúrbio de EMI.
Figura 2: Interferência Eletromagnética (EMI)
FONTE: (COLNAGO, 2009).
c) Afundamentos de Tensão: caracteriza-se como sendo a redução da tensão eficaz por um período de meio ciclo a um minuto. As causas mais frequentes de afundamentos de tensão são: partidas de cargas pesadas e chaveamento de equipamentos na rede (MATANA, 2008). A Figura 3 apresenta o distúrbio de afundamento de tensão. Os afundamentos de tensão são ainda divididos em três categorias dependendo das suas durações.
Figura 3: Afundamento de Tensão
FONTE: (COLNAGO, 2009).
d) Elevação de Tensão: este distúrbio se caracteriza como sendo a elevação da tensão com duração de meio ciclo até um minuto. Suas causas principais são redução de grandes cargas, energização de bancos de capacitores e faltas fase-terra (COLNAGO, 2009). Na Figura 4 pode-se observar o fenômeno de elevação de tensão.
Figura 4: Elevação de Tensão
FONTE: (COLNAGO, 2009).
e) Flutuação de Tensão: flutuações repetitivas no nível de tensão causando uma espécie de modulação da tensão da rede. O fenômeno de flutuação da tensão (flicker) acontece devido às variações intermitentes de certas cargas, causando flutuações nas tensões de alimentação que pode causar oscilações na intensidade da iluminação elétrica (COLNAGO, 2009). Um exemplo de flutuação é a figura 5.
Figura 5: Flutuação de Tensão
FONTE: (COLNAGO, 2009).
f) Recortes (Notches): distúrbio que se caracteriza como repetitivos afundamentos da tensão de curta duração. Exemplos: comutação de corrente em retificadores trifásicos controlados ou não controlados (COLNAGO, 2009). A Figura 6 abaixo representa o recorte de tensão:
Figura 6. Recorte de Tensão
FONTE: (COLNAGO, 2009).
g) Variação de Frequência: as variações de frequência que também podem ser chamadas de oscilações de frequência tem uma característica de difícil controle e depende da manutenção do equilíbrio entre a produção e o consumo. Nas redes fortemente interligadas estas variações são pouco frequentes, porém em rede isoladas são mais frequentes (MATANA, 2008). Na Figura 7 pode-se observar o fenômeno de variação de frequência:
Figura 7: Variação de Frequência
FONTE: (COLNAGO, 2009).
h) Interrupção de Fornecimento. Tensão nula em uma ou mais fases. Pode ser causada por curto-circuito, falha de equipamentos da rede, acidentes e raios. Pode-se observar na Figura 8 o fenômeno de interrupção da tensão.
Figura 8: Interrupção de Fornecimento
FONTE: (COLNAGO, 2009).
i) Desequilíbrio de tensão: por definição, é a diferença entre a magnitude das tensões de fase de circuitos trifásicos, ou seja, existindo qualquer diferença nas amplitudes entre as três tensões das fases ou no desvio da defasagem de 120º entre estas tensões (MOREIRA, 2006). Na rede de distribuição podem ocorrer por naturezas distintas: assimetria da rede e natureza da carga. A Figura 9 demonstra no primeiro diagrama um sistema equilibrado e no segundo um sistema desequilibrado.
Figura 9: Desequilíbrio de Tensão
FONTE: Elaborada pelo Autor
j) Distorções Harmônicas: de acordo com as séries de Fourier, todas as formas de onda são na verdade uma composição da única forma de onda pura que existe na natureza, que é a onda senoidal. Uma onda puramente senoidal não possui nenhuma harmônica. Qualquer outra forma de onda é uma composição de infinitas ondas senoidais
No caso do SEP as harmônicas são sempre múltiplas da frequência fundamental. Para 60Hz a primeira harmônica é 120Hz, a terceira é 180Hz e assim por diante. Então as harmônicas existentes em uma forma de onda distorcidas são infinitas, porém, a grande maioria com uma amplitude muito pequena e que não afetam o sistema. As harmônicas que
afetam efetivamente o sistema se limitam as primeiras e estas são divididas ainda em harmônicas pares e impares (MATANA, 2008). Um exemplo de que uma onda senoidal distorcida pode ser dividida em várias componentes senoidais não distorcidas pode-se observar na Figura 10.
Figura 10: Representação da Série de Fourier
FONTE: (MATANA, 2008)
As distorções harmônicas são geradas normalmente por cargas não-lineares e outros dispositivos eletrônicos existentes nas plantas industriais.
Inspirados nestes vários tipos de distúrbios, surgem inúmeros estudos no foco da Qualidade da Energia Elétrica (QEE). O primeiro passo é saber mensurar os níveis de perturbação e por último saber que ações tomar. Com o intuito de poder detectar estes tipos de distúrbios de QEE surgiu a ideia de realizar este trabalho. A principal motivação é de poder apresentar as formas de onda mensuradas para poder visualizar os possíveis problemas existentes.
Para poder visualizar as formas de onda é necessário ter acesso a todos os dados de amostragem. Isto se tornou o maior desafio do presente trabalho, que é de realizar as conversões analógica-digitais e salvar os dados inteiros aquisitados para mais tarde poder analisá-los em um software.
O próximo capítulo apresentará uma revisão bibliográfica sobre os diferentes tipos de medição existentes de corrente e tensão. Mostrará a diferença entre cada tipo de sensor e também a vantagem de usar cada tipo de medição.
3. ASPECTOS FUNDAMENTAIS NA MEDIÇÃO DE CORRENTE E TENSÃO
O sistema elétrico de potência (SEP) desempenha um papel importante pela garantia da qualidade ininterrupta de energia, desde sua geração até o consumidor final, pois sem ele esta ponte para a transmissão de energia não existiria. Desta forma, faz-se necessário efetuar a medição contínua a fim de garantir a qualidade da mesma.
A qualidade da energia tem sido alvo de muito interesse e discussão nos últimos anos. Surgem problemas com a “energia suja” que interfere diretamente nos equipamentos industriais e até equipamentos em residências (MEHL, 2011; WENDHAUSEN, 2011).
Nos próximos subitens serão relatadas as revisões bibliográficas feitas sobre os tipos de medidores de corrente e tensão com o intuito de selecionar um sensor de corrente e um de tensão para implementar um medidor monofásico.
3.1. Tipos de medição de corrente
Existem vários tipos de medição de corrente, alguns destes serão descritos nos próximos parágrafos:
• Transdutores Indutivos: Transformador de Corrente (TC);
• Transdutores ópticos: Transformador de corrente óptico e transformador de corrente eletrônico com acoplamento óptico;
• Transdutores de Efeito Hall: Sensores de corrente baseados em Efeito Hall; • Sensores Shunts: São resistores que possuem alta precisão e baixa resistência elétrica;
• Bobinas de Rogowski: Baseada na Lei de Faraday-Lenz.
3.1.1. Transformadores de corrente indutivos
O TC é responsável por reproduzir no secundário uma réplica em escala reduzida da corrente de seu primário que seja mais adequada para o uso em instrumentos de medição, controle e proteção (WENDHAUSEN, 2011). O TC é conectado em série com o circuito a ser medido. Para ele ser conectado em série, sua impedância deve ser baixa em relação à
impedância da linha para diminuir os erros de medição. A Figura 11 apresenta uma representação esquemática do TC.
Figura 11: Diagrama de ligação do TC
FONTE: (WENDHAUSEN, 2011)
A relação de transformação e a classe de exatidão dos TCs são padronizadas por normas da ABNT que são: NBR 6856/92 – Transformador de corrente especificação; NBR 6546/91 – Transformadores para instrumentos – Terminologia e NBR 6821/92 – Transformador de corrente – Método de ensaio.
Segundo a norma, existem fatores para classe isolação (tensão pretendida) e ainda para sua classe de exatidão.
- Classe 0,3 - TC aplicado ao serviço de medição; - Classe 0,6 - TC aplicado ao serviço de medição; - Classe 1,2 - TC aplicado ao serviço de medição; - Classe 5 - TC aplicado ao serviço de proteção; - Classe 10 - TC aplicado ao serviço de proteção.
O TC deve estar enquadrado dentro de uma das classes de exatidão acima e estar dentro de um paralelogramo de exatidão. A Figura 12 apresenta um paralelogramo de exatidão que estabelece os limites para o Fator de Correção de Relação (FCR) para o ângulo de fase de um TC de classe 0,6.
Figura 12: Paralelogramo de exatidão
FONTE: (WENDHAUSEN, 2011)
Para pertencer a uma determinada classe de exatidão, o TC deve respeitar o paralelogramo. Desta forma, são efetuados dois ensaios: ensaio a plena carga e ensaio de 10% da corrente primária nominal. O TC pode ter vários núcleos independentes entre si, para medição os núcleos deve-se fazer com que haja um baixo erro de relação e de ângulo de fase.
Os principais problemas dos TCs são: Resposta em frequência limitada, problemas de operação ligados a risco de abertura do secundário, problemas de compatibilidade eletromagnética, não linearidade e distorção da forma de onda.
3.1.2. Transdutores ópticos
A Figura 13 apresenta um transdutor óptico que utiliza o efeito Faraday em seu principio de funcionamento. O led emissor é remoto e gera uma luz que é conduzida pela fibra óptica até o polarizador da célula. O foto-diodo também é remoto e fica localizado junto ao conversor secundário.
Figura 13: Esquema de um transdutor óptico
Fonte: (WENDHAUSEN, 2011).
A luz emitida pelo led ao incidir na célula sofre um processo de polarização, sendo refletida internamente pelos espelhos de tal forma que sua trajetória enlaça o condutor por onde passa a corrente a ser medida, até incidir no elemento analisador. O analisador detectada a variação no ângulo de polarização da luz e converte esta variação numa intensidade luminosa, proporcional ao campo magnético. A luz modulada é transmitida ao fotodiodo localizado remotamente onde é convertida em sinal elétrico, amplificada e processada TCs (WENDHAUSEN, 2011).
Os transformadores de corrente ópticos infelizmente não foram encontrados para tensões menores que 72kV. Eles possuem várias vantagens em relação aos transformadores de corrente, como, por exemplo, a banda passante que é muito maior e de melhor precisão em relação aos TCs convencionais.
3.1.3. Transdutores de Efeito Hall
O efeito Hall existe devido a uma caraterística própria do fluxo de cargas em um determinado material condutor ou semicondutor. A corrente elétrica é afetada pela influência da força de Lorenz na presença de um campo magnético. Quando não existe um campo magnético, a força de Lorenz também estará ausente, desta forma a corrente elétrica segue um caminho aproximadamente retilíneo. Se a corrente elétrica atravessa uma região com um campo magnético perpendicular, ela acaba distribuindo a densidade de carga
assimetricamente. Como consequência, forma-se uma diferença de potencial, denominada de tensão de Hall, conforme a Figura 14 (ISEP, 2011).
Figura 14 - Efeito Hall
FONTE: (ISEP, 2011)
Os transdutores de efeito Hall são muito utilizados por contarem com uma boa precisão (entre 1% e 0,5%) e ainda por contarem com isolação galvânica. Sua principal desvantagem em relação aos outros tipos de medição é o seu elevado custo.
3.1.4. Resistores Shunts
A medição de corrente empregando os Resistores Shunt é seguramente a forma mais simples de aquisição. A ideia é de medir a tensão nos terminais de um resistor com baixa resistência e pela lei de Ohm encontrar a corrente. A Figura 15 abaixo demonstra um exemplo de Resistor Shunt da fabricante Instrumenti do Brasil:
Figura 15: Resistor Shunt
A Figura 16 demostra um esquemático para o uso do Resistor Shunt:
Figura 16: Esquema de ligação do resistor Shunt
FONTE: Elaborada pelo Autor
Este tipo de medição conta com uma alta banda passante e alta precisão em comparação com os outros tipos de medição de corrente. Tem a vantagem de poder medir corrente DC.
Uma desvantagem é que a aquisição isolada utilizando Resistores Shunts é um pouco mais complexa por exigir um circuito faça a isolação de um sinal analógico. Outra desvantagem é que com níveis altos de curto-circuito (CC) se torna difícil fazer o dimensionamento do resistor, pois este precisa aguentar o nível de CC sem danificar.
3.1.5. Bobina de Rogowski
A bobina de Rogowski pode ser considerada como uma aplicação direta da lei de Ampère. Esta trabalha detectando o campo magnético no espaço em torno do condutor e a lei de Ampère fornece a relação entre a passagem de corrente no condutor e o campo magnético em torno dela (DELBEN, 2008). Isto é expresso matematicamente como:
Em que, dl é um elemento infinitesimal ao longo do enrolamento, H é a intensidade do campo magnético e α é o ângulo entre a direção do campo e o elemento (DELBEN, 2008). A Figura 17 apresenta a Bobina de Rogowski.
Figura 17: Bobina de Rogowski
FONTE: (DELBEN, 2008)
A vantagem da Bobina de Rogowski é que ela faz uma medição isolada e não precisa interromper o circuito para fazer a medição. Suas desvantagens são para fazer o circuito de aquisição, pois é preciso um bom tempo de estudo e testes. Existe a possiblidade de comprar uma Bobina de Rogowski com a aquisição pronta, porém, o preço fica mais elevado.
3.2. Tipos de medição de tensão
3.2.1. Transformador de Potencial
O Transformador de Potencial (TP) é um equipamento usual para sistemas de medição de tensão elétrica sendo capaz de reduzir a tensão do circuito para níveis compatíveis com a máxima tolerável pelos instrumentos de medição.
A Relação de Transformação (RT) é determinada na fabricação do TP pela razão entre o número de espiras do enrolamento primário, sobre o número de esperas do enrolamento secundário, assim conhecendo-se a RT e a tensão do secundário, tem-se o valor da diferença de potencial do circuito primário (ISEP, 2011). A Figura 18 abaixo apresenta dois modelos de mini TPs para instrumentação:
Figura 18: Exemplo de Transformadores de Medição
FONTE: Fabricante Epcos
Os TPs são fabricados de uma forma que apresentam uma RT com uma ótima exatidão se comparado com os transformadores comuns. A tensão reduzida do circuito secundário do TP também é usada para alimentar, de forma igualmente segura, os circuitos de proteção e controle de subestações.
As vantagens dos TPs são de isolar o circuito de medição e sua simplicidade para utilização. Pontos fracos são que sua precisão não é tão apurada quanto às outras formas de medição, pode causar atraso de fase e possui largura de banda limitada.
3.2.2. Divisor Resistivo
A forma mais simples e talvez mais eficaz da medição de tensão é certamente o divisor resistivo. A regra do divisor de tensão é uma técnica de projeto utilizada para criar uma tensão de saída de forma proporcional a sua tensão de entrada.
Esta forma de medição é muito utilizada para pequenos sinais que não precisem ser isolados do sistema como um todo. Conta com uma ótima precisão em comparação com os outros tipos de medição de tensão e larga banda passante.
A Figura 19 apresenta o esquema de ligação do divisor resistivo: Figura 19: Divisor Resistivo
A desvantagem da utilização do divisor resistivo é que quando se busca a isolação do sistema de medição é necessário utilizar circuitos como opto acopladores o que deixa o sistema com um nível maior de complexidade, pois, opto acopladores de sinais analógicos são mais difíceis de encontrar no mercado.
3.2.3. Transdutor de Tensão
Como sensor de tensão ainda existe os Transdutores de Tensão, que são baseados no Efeito Hall, explicado a algumas páginas acima. Estes sensores tem a vantagem de medir tensão alternada, contínua e pulsada com isolação galvânica entre o primário e o secundário. A Figura 20 apresenta um Transdutor de Tensão fabricado pela LEM:
Figura 20: Transdutor de Tensão
FONTE: Datasheet LV25-P
Este tipo de sensor conta ainda com uma boa linearidade, boa precisão e alta banda passante. Como desvantagem, é seu custo elevado.
Ainda como Transdutor de Corrente existem circuitos integrados que leem uma tensão Root Mean Square (RMS) e a transformam em um valor contínuo.
Este tipo de transdutor se torna bastante útil quando se tem pouco tempo para o processador realizar suas atividades, visto que, para realizar o cálculo RMS o Microcontrolador (MCU) ocupa bastante processamento. No capítulo 5, a fórmula para realizar o cálculo RMS será apresentada.
4. INSTRUMENTAÇÃO VIRTUAL E SEUS ASPECTOS
A introdução de computadores na automação e medição levou nos últimos anos a evolução dos instrumentos de aquisição e monitoramento de dados. Diversos instrumentos analógicos ou digitais podem ser concentrados em um único instrumento digital. Por exemplo, um computador pode ter um gerador de funções, um multímetro, um osciloscópio, um analisador de espectro e muitos outros instrumentos (SANTOS, 2011).
A instrumentação virtual surge com a ideia de ser uma instrumentação mais flexível em relação à instrumentação tradicional. Os instrumentos tradicionais tanto analógicos como digitais são caracterizados por terem hardware e software fixos contendo suas aplicações definidas pelo fabricante. Um instrumento virtual é um sistema formado por um hardware de aquisição que também é fixo, porém, que apenas aquisita os dados e quem faz o processamento destes é o computador. O esquema básico de um instrumento virtual é apresentado na Figura 21:
Figura 21: Estrutura básica de um instrumento virtual
Fonte: (MOREIRA, 2006)
Existem ainda trabalhos em instrumentos com a possibilidade de fazer com que o hardware seja remodelado. Estes trabalhos utilizam Field-programmable gate array (FPGA) para a readequação do hardware.
4.1. Vantagens da Instrumentação Virtual
A grande vantagem da instrumentação virtual em comparação com a instrumentação tradicional está em que o computador pode ser totalmente reprogramado, tanto na parte de processamento de dados como na sua interface gráfica. Desta forma, diferentes instrumentos podem ser implementados utilizando o mesmo hardware de aquisição. O software, desta
forma, pode ser melhorado ao longo do tempo apenas adicionando outras rotinas de cálculos para analisar diferentes distúrbios da rede como os citados no segundo parágrafo deste trabalho. Este tipo de medição tem a vantagem de dividir o processamento dos dados (MOREIRA, 2006).
Pode-se ainda separar o desenvolvimento das rotinas de um determinado instrumento virtual em várias tarefas e estas podem ser divididas entre várias pessoas. Assim, no final o software pode ser montado com as rotinas desenvolvidas por diferentes equipes.
A medição virtual seria uma alternativa interessante para um órgão de fiscalização como a ANEEL, monitorar a qualidade do serviço prestado pelas concessionárias. Através de uma medição distribuída, ela pode receber os dados de um sistema de instrumentação virtual pela internet ao invés de as concessionárias terem que informar os dados periodicamente à ANEEL.
4.2. Implementação do software e escolha da linguagem de programação
Existem vários tipos de linguagens que podem ser utilizadas para a construção do programa para o instrumento virtual. Entre as linguagens mais utilizadas estão o C, Pascal, Java e Basic. Poderiam ainda ser utilizadas linguagens como o LabVIEW da National Instruments e o Data Acquistion toolbox do Matlab que tem vantagens de serem linguagens mais simples de fazer a interface e tem recursos prontos de cálculos.
Como o hardware de aquisição é composto por uma Raspberry Pi que utiliza um sistema operacional baseado em Linux, então, a linguagem escolhida para desenvolver o software de IHM deste trabalho é a linguagem Java, tendo a possibilidade de ser executada em Linux e por ser uma linguagem de maior conhecimento do autor.
O ambiente de trabalho utilizado foi o Netbeans IDE. Conta com a vantagem ainda de ser uma linguagem livre. A Figura 22 apresenta o layout do software desenvolvido em Java para este trabalho:
Figura 22: Software implementado
FONTE: Elaborada pelo Autor
As rotinas de cálculos implementadas para este programa serão apresentadas no próximo capítulo.
4.3. Rotinas de cálculos aplicadas em software
No presente capítulo serão apresentadas e detalhadas as rotinas de cálculos utilizadas pelo instrumento virtual para definir os aspectos de QEE. As funções desenvolvidas são estas:
Valor eficaz;
Fator de potência (FP);
Distorção harmônica total (DHT);
Fast Fourier Transform (FFT);
Desequilíbrio de tensão.
Estes aspectos foram considerados em virtude de serem vinculados pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) em Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional (PRODIST).
Vale enfatizar que os dados obtidos pelos sensores serão processados pelo instrumento virtual desenvolvido que é capaz de calcular e indicar os aspectos que vão ser apresentados nos próximos subitens.
4.3.1. Valor Eficaz
O valor eficaz ou Root Mean Square (RMS) de um dado sinal periódico qualquer para um sistema discreto pode ser expresso por:
√ ∑
(Eq. 2) Em que,
Vrms = valor eficaz do sinal Nj = amostra
A Figura 23 mostra a interface desenvolvida para apresentar a tensão RMS.
Figura 23: Tensão RMS em janelas de 0,2 segundos
FONTE: Elaborada pelo Autor
Segundo o módulo 8 do PRODIST, os valores eficazes devem ser calculados a partir das amostras em janelas de doze ciclos (0,2 segundos) até janelas de quinze segundos (0,25 segundos). Então para os cálculos de valor eficaz deste trabalho foi escolhida uma janela de medição de 0,2 segundos.
Apresentar a tensão em RMS em janelas de medição é uma opção muito interessante para analisar a QEE, pois desta forma fica mais fácil a visualização de distúrbios como o afundamento ou flutuação de tensão para o usuário.
4.3.2. Fator de Potência (FP)
O valor do fator de potência (FP) deve ser calculado, segundo o módulo 8 do PRODIST, a partir dos valores registrados das potências ativa e reativa (P,Q) ou das suas respectivas energias (EA, ER) (Eq. 3). Pode-se dizer ainda que o fator de potência por definição é a relação entre a potência ativa (P) e a potência aparente (S) consumidas por um dispositivo ou equipamento.
√
Para calcular o FP é preciso saber como calcular a potência ativa e a potência aparente. A Equação 4 abaixo demonstra o calculo da potência aparente:
Em que,
Pa = potência aparente Vrms = Tensão rms Irms = Corrente rms
A Equação 5 demonstra o cálculo da potência ativa discretizada:
∫ Em que,
Pw = potência ativa N = amostras
V(n) = tensão amostrada I(n) = corrente amostrada
4.3.3. Distorção Harmônica Total (DHT)
Para o cálculo da DHT foi utilizada uma adaptação de uma rotina de cálculo de Phase Locked Loop (PLL) apresentada por Marafão, 2004 e implementada também por Moreira, 2006. Basicamente esta rotina de decomposição busca extrair as ondas fundamentais de um sinal qualquer de corrente e tensão.
A representação do PLL é apresentada na Figura 24:
Figura 24: Detector PLL de componente fundamental
FONTE: (MARAFÃO, 2004)
Baseado na senoide de amplitude unitária (u) ortogonal ao sinal de entrada, gerado por PLL multiplica-se ela pela tensão de entrada (v) e faz-se uma média. O resultado desta média será a metade da amplitude da componente fundamental (A), que multiplicada pela senoide unitária resultará na componente fundamental de entrada (MOREIRA, 2006).
Depois de feita a rotina de PLL já fica possível calcular a DHT:
Em que,
Sdi = Sinal distorcido Sf = Sinal fundamental
Com,
Onde,
St = Sinal total
Sf = Sinal fundamental
4.3.4. Fast Fourier Transform (FFT)
Após uma revisão bibliográfica feita para descobrir a melhor forma de realizar a FFT discreta, concluiu-se que o jeito era ir a procura de um software já desenvolvido, pois, mesmo que conseguindo desenvolver um código para a FFT, seria difícil faze-la de uma forma otimizada. A melhor opção pareceu utilizar o código provido pelo livro Numerical Recipes in C (PRESS, 2007) publicado pela universidade de Cambridge (EUA). Os autores diziam que seu código era otimizado e com facilidade de uso.
Depois de alguns testes transformando o código da linguagem C para a linguagem JAVA, concluiu-se que a alternativa não parecia ser mais tão adequada por não se tratar de um código tão otimizado como informavam os autores (SILVA, 2008).
Como alternativa surgiu à biblioteca de Michael Thomas Flanagan (FLANAGAN, 2008) chamada de Michael Thomas Flanagan’s Java Scientific Library. Esta biblioteca se mostrou muito eficiente por realizar os cálculos da FFT de uma forma muito mais rápida que a do livro Numerical Recipes.
4.3.5. Desequilíbrio de Tensão
O desequilíbrio de tensão é o fenômeno associado às alterações dos padrões trifásicos do sistema de distribuição. A rotina de cálculo desenvolvida para este trabalho é conforme o módulo 8 do PRODIST. Sendo:
√ √
√ Com: B
No Capítulo 7 será demonstrado o resultado destas rotinas de cálculos. Estas serão comparadas com um medidor disponível no mercado.
O próximo Capítulo apresentará a implementação prática do instrumento virtual desenvolvido neste trabalho. Apresentará o sistema de medição, conversor analógico-digital (ADC) e ainda os sensores de tensão e corrente utilizados após a revisão bibliográfica concretizada no Capítulo 3.
5. IMPLEMENTAÇÃO PRÁTICA
Este capítulo apresentará os dispositivos utilizados para desenvolver um sistema de aquisição aplicando conceitos de instrumentação virtual. Para definir estes dispositivos foi preciso estudar circuitos de aquisição de dados que devem ser capazes de suportar conversão dos sinais em taxas adequadas, além de estudar o condicionamento e armazenamento em memórias não voláteis (cartões SDs e HDs externos).
Após realizar um estudo sobre os microcontroladores existentes, data loggers, cartões de memória SD e HDs notou-se que o maior problema seria o armazenamento de dados, pois com o intuito de utilizar uma alta frequência de amostragem, muitos GBs de memória são utilizados. A primeira alternativa a ser recorrida foi de comunicar diretamente entre um Digital Signal Processor (DSP) e um cartão SD para salvar os dados aquisitados neste cartão. Esta opção pareceu ser muito complicada e com exigência de muito tempo de estudo para criação um arquivo txt para armazenar os dados.
5.1. Raspberry Pi
A alternativa que pareceu mais interessante para resolver o problema de armazenamento de dados foi a de desenvolver o sistema baseando-se em uma Raspberry Pi. Esta se trata de um produto que vai totalmente contra a tendência dos lançamentos de novos computadores pessoais e smartphones, que mais chamavam a atenção pelos seus recursos de última geração e um hardware com tecnologia de ponta. O triunfo da Raspberry Pi é justamente de contar com um hardware simples e pelo seu baixo custo (MACHADO, 2012). A Figura 25 apresenta a Raspberry Pi:
Figura 25: Raspberry Pi
A ideia da Raspberry Pi foi proposta por um grupo de estudantes da Universidade de Cambrigde, nos Estados Unidos, ao perceberem que o conhecimento dos alunos estava em constante declínio. O grupo de estudantes concluiu que um dos principais motivos para este declínio é a baixa disponibilidade de ferramentas simples voltadas para programação. Hoje, não existem mais computadores como o Commodore 64 e o Amiga, que exigiam um grau mínimo de conhecimento em computação para que fossem operados. O Raspberry Pi veio justamente para preencher esta lacuna (MACHADO, 2012).
Os primeiros protótipos nasceram ainda em 2006 e têm sido aprimorados desde então. A atual versão, que já está em produção, resume-se a apenas uma pequena placa contendo todos os elementos centrais de um PC, com o tamanho próximo ao de um cartão de crédito. A Figura 26 abaixo apresenta os módulos que compõem a Raspberry Pi:
Figura 26: Módulos da Raspberry Pi
FONTE: Raspberry Pi Foundation
O principal componente do Raspberry Pi é um pequeno circuito integrado que reúne o processador com a arquitetura ARM, a GPU VideoCore IV e a memória RAM. As especificações gerais são:
Processador ARM 11 de 700 MHz;
GPU VideoCore IV de 250 MHz;
512 MB total de RAM;
Saída de áudio P2;
Interface de rede ethernet;
Duas portas USB;
Conector Micro USB para alimentação (5 volts, 700mA).
O sistema operacional foi o Raspbian e este é instalado no cartão SD. O Raspbian é um sistema operacional completo com interface gráfica, navegador de Internet etc., otimizado para rodar no Raspberry Pi. A partir dele a Raspberry Pi se inicializa, ele possui cerca de 35.000 programas a disposição, além dos diversos softwares que já vêm instalados por padrão. Por ter portas USB é possível conectar HDs externos para uso de armazenagem de dados.
Os pontos fracos da Raspberry Pi para desenvolver o hardware de instrumentação virtual é que ela não possui um ADC incorporado e também não possui o Real Time Clock (RTC), este último que serve para manter o horário correto mesmo quando o dispositivo principal encontra-se desligado.
5.2. Conversor Analógico-Digital (ADC)
Com o intuito de adicionar ADC à Raspberry Pi, dois conversores foram comparados para verificar qual teria a melhor resposta de trabalho para o sistema proposto. Os conversores são o MCP3208 fabricado pela Microchip e o conversor AD7656 fabricado pela Analog Devices.
Primeiramente, foi avaliado o uso do conversor MCP3208 que tem um custo menor que o AD7656 e tem a opção de encapsulamento DIP padrão de dezesseis pinos. Este conversor conta com:
• 12-bit de resolução;
• 8 canais de entrada analógica;
• Entrada analógica programável entre leitura diferencial e leitura simples;
• Interface Serial Peripheral Interface (SPI) com frequência máxima de clock de 4Mhz;
• 100 ksps máxima em VDD = 5V; • 50 ksps máxima em VDD = 2.7V.
A Figura 27 abaixo apresenta a lógica funcional do conversor da Microchip MCP3208:
Figura 27: Esquema funcional MCP3208
FONTE: Datasheet MCP3208
A outra opção de conversor ADC se trata do AD7656. Este conversor foi escolhido por trabalhar com uma frequência de clock da SPI de até 18 Mhz além de possuir:
• 6 canais ADCs independentes;
• Range selecionável por pinos entre: ±10V, ±5V • Frequência de Amostragem: 250 ksps
• Alta banda passante de entrada; • Comunicação serial ou paralela;
• SPI-/QSPI™-/MICROWIRE™-/DSP-compatível; • Modo Standby: 100µWmaximum.
A Figura 28 abaixo apresenta o esquema funcional do AD7656 da fabricante Analog Devices:
Figura 28: Esquema funcional AD7656
FONTE: Datasheet AD7656
Postos os dois conversores a prova, foram realizados testes para saber qual seria a taxa de conversão obtida em cada um dos ADCs. Para isto foi preciso estudar a comunicação Serial Pheripheral Interface (SPI) e aplicá-la em um código rodando na Raspberry Pi. No Capitulo 6 serão apresentadas as taxas de transmissão conseguidas com cada um dos ADCs.
5.3. Serial Peripheral Interface Bus (SPI)
A comunicação Serial Peripheral Interface (SPI) é uma comunicação serial síncrona que foi inventada pela Motorola e que opera no modo Full Duplex, o que significa que é possível comunicar nas duas direções. Os dispositivos da SPI comunicam-se entre si por um sistema de mestre e escravo onde o mestre é quem começa a enviar os dados. A comunicação ainda permite múltiplos escravos que são selecionados pela linha Slave Select (SS). A Figura 29 abaixo apresenta o barramento da SPI com apenas um mestre e um escravo:
Figura 29: Comunicação SPI
FONTE: (Wikipédia, 2013)
A SPI consiste em quatro sinais lógicos:
SCLK: Serial clock (Saída do mestre);
MOSI: Barramento de dados que é saída do mestre e entrada do escravo;
MISO: Barramento de dados entrada do mestre e saída do escravo;
SS: Seleciona o escravo.
A SPI pode operar com apenas um mestre e um ou mais escravos que são selecionados a partir do pino SS. Para começar a comunicação é necessário escolher o clock usando frequências que respeitem o limite de operação do escravo. Essas frequências são de normalmente 10Khz até 100Mhz.
O mestre seleciona com qual escravo quer comunicar colocando o pino SS do respectivo escravo para nível lógico baixo. Após isto, o mestre envia o clock. Durante o envio do clock a comunicação funciona da seguinte forma (em modo full duplex):
O mestre envia um bit no barramento MOSI e o escravo lê este bit;
O escravo envia um bit no barramento MISO e o mestre lê este bit.
Nem todas as transmissões pela SPI envolvem a comunicação com essas quatro operações. Por exemplo, o AD7656 é um dos conversores analógico-digitais utilizados por este trabalho que utiliza apenas o barramento do clock e do MISO, ou seja, o mestre envia apenas o clock e recebe os dados solicitados pelo barramento MISO. Por outro lado o conversor MCP3208 utiliza a comunicação com as quatro operações, mas não todas funcionando ao mesmo tempo.
A SPI ainda tem opções de polaridade de clock e fase. Estas diferenças são apresentadas pela Figura 30 abaixo:
Figura 30: Polaridade de Clock e Fase da SPI
FONTE: (Wikipédia, 2013)
Com CPOL = 0 o valor de base do clock é zero;
Para CPHA= 0, a informação é capturada na borda de subida do clock (de nível baixo para alto) e a informação é enviada na borda de descida (de nível alto para baixo);
Com CPHA= 1, a informação é capturada na borda de descida do clock e a informação é enviada na borda de subida;
Com CPOL = 1 o valor de base do clock é um;
Para CPHA= 0, a informação é capturada na borda de descida do clock (de nível baixo para alto) e a informação é enviada na borda de subida (de nível alto para baixo);
Com CPHA= 1, a informação é capturada na borda de subida do clock e a informação é enviada na borda de descida.
Estes tipos de polaridade do clock e da fase ajudam a fazer com que a comunicação SPI fique mais flexível, apesar de causar alguma confusão.
Para aplicar a SPI na Raspberry Pi pode-se usar dois tipos de métodos. O primeiro consiste em setar cada um dos barramentos um a um realizando o chamado bit-banging. Este método é interessante para aprender como a SPI funciona e é utilizado também quando o escravo modifica algumas configurações da SPI que não são possíveis de adaptar pela SPI de hardware do microcontrolador. A SPI de hardware do microcontrolador é seguramente mais rápida e mais confiável.
5.4. Sensores de tensão e corrente
Entre as várias possibilidades de sensores tanto de tensão, quanto de corrente, os sensores selecionados foram o HAIS-100p da fabricante LEM para corrente e para tensão foi escolhido um transformador de potencial.
A escolha do HAS-100P foi devido a ele ser um sensor de corrente que mede tensão contínua; alternada e pulsada. Conta ainda com isolação galvânica entre o seu primário e o seu secundário de 2,5kV. A sua exatidão é de 1%, pequeno consumo de corrente (19mA), apenas uma alimentação em 5V, tem um offset e ganho fixos. A Figura 31 abaixo apresenta o sensor de corrente HAIS-100P da fabricante LEM:
Figura 31: Sensor de Corrente
FONTE: Datasheet HAS-100P
Por ter um offset e ganho fixo, o circuito de aquisição fica simplificado.
Para tensão optou-se por usar um transformador de medição com relação 15:1, corrente máxima de 50mA e núcleo saturado permitindo a ele ter dimensões reduzidas. A Figura 32 abaixo apresenta o transformador escolhido.
Na saída do transformador foi utilizado um divisor resistivo para adaptar as tensões. Poderia ser utilizado um divisor resistivo apenas, porém, um dos requerimentos foi de que as medições fossem isoladas. A forma mais simples de fazer isto é utilizando um transformador de potencial. Existe ainda a alternativa de utilizar opto acopladores isolados. Porém, nenhum opto acoplador de sinal analógico foi encontrado que trabalhe com tensões negativas.
Figura 32: Transformador de Medição
FONTE: (SCHERER, 2007)
5.5. Circuitos de aquisição
A escolha dos sensores de tensão e de corrente prévia facilitam o circuito de aquisição. Com a escolha do transformador de medição e do transdutor da LEM o circuito de aquisição conseguiu ficar compacto e com poucos componentes. A Figura 33 apresenta o circuito desenvolvido para a medição.
Como o AD7656 tem a possibilidade de ler tensões negativas, a melhor opção de circuito de aquisição para o sensor de corrente HAIS-100P pareceu de eliminar o offset gerado pelo sensor com um filtro passa alta (SCHERER, 2007). Após a eliminação do sinal contínuo, o circuito de aquisição conta ainda com um filtro passa baixa e um amplificador operacional utilizado para realizar um ganho de 8 no sinal e assim poder adaptar o nível de tensão para o mais perto possível do range do conversor analógico digital. Desta forma, o circuito se torna mais confiável, pois não depende de nenhum offset de tensão. Este offset pode causar erros na leitura se não estiver muito bem ajustado.
Para a aquisição de tensão foi necessário além do transformador de medição e do divisor resistivo um amplificador operacional para ajustar um ganho em que o range de entrada fique o mais perto possível do range de leitura do ADC.
Figura 33: Esquemático Circuito de Aquisição
FONTE: Elaborada pelo Autor
Para realizar testes com o AD7656 foi necessário implementar uma placa de circuito impresso para alocar o ADC: Além da conversão analógica-digital, esta placa ficou encarregada de realizar o Real Time Clock (RTC) e a conversão do sinal serial da Raspberry Pi para os níveis lógicos do da RS232. O RTC serve para medir a data certa e a Raspberry Pi não vem com um interno, porque os seus projetistas estavam pensando em fazê-la com o menor custo possível. A placa desenvolvida é apresentada na Figura 34.
A comunicação escolhida para utilizar o AD7656 foi a SPI. O ADC tinha a opção ainda de realizar a comunicação paralela. A comunicação paralela pode chegar a ser mais rápida que a serial, porém, por uma questão de segurança de já se ter uma breve experiência com a SPI a comunicação paralela foi descartada logo no inicio do projeto.
Figura 34: Placa de Conversão Analógico-Digital
FONTE: Elaborada pelo Autor
Entre as comunicações seriais existem ainda três tipos de SPIs diferentes. A diferença consiste que duas das opções são ambas uma variação da comunicação SPI. Elas utilizam dois ou três pinos para receber os dados que o conversor envia, enquanto que para uma SPI padrão apenas um pino é utilizado como de leitura para o mestre. A Figura 35 abaixo apresenta a comunicação que deve ser realizada com o AD7656 para comunicação serial:
Figura 35: Sequência da SPI no AD7656
FONTE: Datasheet AD7656
A sequência consiste primeiramente no mestre setar o pino CONVST A, B e C em alta. Após isto deve-se esperar o pino BUSY ir para o nível alto, posteriormente, ele irá voltar para nível lógico baixo indicando que a conversão foi realizada. Depois destes passos, o mestre fica encarregado de enviar o clock para o pino SCLK e receber os dados gerados pelo
pino DOUT A no caso de usar a serial com apenas uma saída. A sequência descrita acima faz com que todos os dados dos canais sejam lidos em uma única transmissão da SPI.
O próximo capítulo apresentará os resultados obtidos com os dois conversores e mostrará qual a melhor aplicação para cada um destes.
