Avanço Semanal - 25/06/16

Nesta semana teve continuidade a etapa de familiarização com o Arduíno e sua linguagem de programação, onde o planejamento de organização para os pinos no Arduíno uno foi aplicado em um código de teste criado pelos integrantes. A figura 1 demonstra o protótipo para a codificação que será utilizada no dispositivo finalizado.

Fig. 1: Código teste comentado

Também foi gerenciada a criação da codificação responsável por interpretar os estados dos botões que irão alterar os modos de funcionamento do dispositivo e as grandezas medidas, para exibir em tela as informações respectivas. No vídeo 1 é possível observar que o código criado funciona adequadamente. A princípio ocorreram problemas em relação ao tempo de leitura dos estados dos botões, contudo a adição de um delay de 100 milisegundos, que permitiu ao programa ler o estado ao mesmo tempo em que o usuário pressiona o botão, resolveu o problema. Vale ressaltar que a adição de delays ao código compromete o tempo limite de processamento de 1 segundo, portanto havendo a necessidade de se pensar melhor sobre estes detalhes.

Vídeo 1: Testes da codificação inicial

Para testar a programação foi utilizada uma carga imaginária, com impedância de 423,08 Ω e com ângulo de fase de 25,84º, aplicada em uma tensão de 220 V RMS. Para estes valores hipotéticos foram realizados os cálculos seguindo o conteúdo aprendido em sala na disciplina de circuitos elétricos II para a obtenção dos valores de corrente RMS, potência ativa, potência aparente, potência reativa, fator de potência e, por último, o valor que o banco de capacitores deve alocar de capacitância para corrigir o fator de potência, neste exemplo sendo de 90%, para 95%. Também é possível alternar entre os modos de by-pass e corrigido. Para a finalização da etapa de programação são necessários os componentes de medição de corrente e tensão alternadas, responsáveis por gerar os valores que serão usados para os demais cálculos.

Referências Bibliográficas:

Figura 1: Autoria Própria.

Vídeo 1: Autoria Própria.

Arduino Uno R3

Arduino Uno R3

O Arduino Uno é uma placa cujo principal componente é o microcontrolador ATMEL ATMEGA328. A placa é alimentada por uma fonte externa de 7 a 12 V ou por uma conexão USB. Há, na placa, outro microcontrolador, o ATMEL ATMEGA16U2, para comunicação com o computador pela interface USB. Este permite o upload da programação feita pelo usuário e está conectado ao microcontrolador principal da placa e, além disso, dois leds estão ligados a ele (TX, RX) que são controlados pelo software do microcontrolador e indicam o recebimento ou envio de informações do computador.

O ATMEGA328 é um dispositivo de 8 bits da família AVR, com 32 KB de memória Flash, 2KB de RAM e 1 KB de EEPROM e um cristal externo de 16 MHz, possuindo 28 pinos, cujas correntes máximas são de 40 mA por pino. Este dispositivo permite o funcionamento do Arduino.

Fig 1: Placa arduino Uno R3

A placa Uno R3 possui 14 pinos que podem ser utilizados como entradas e saídas digitais, enumerados de 0 a 13. Destes pinos, os 3,5,6,9,10,11 podem ser convertidos pra saídas analógicos de 8 bits, além disso a placa possui 6 entradas analógicas de A0 a A5, com a resolução de 10 bits, essas entradas ao operarem a 5V convertem o sinal digital em até 1023 partes.

Referências bibliográficas:

Figura 1: http://www.embarcados.com.br/arduino-uno/. Acesso em 19 jun 2016

ARDUINO. Disponível em :<https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno>. Acesso em 19 junho 2016

Disjuntores elétricos

Disjuntores são componentes que limitam a corrente de um circuito, interrompendo seu funcionamento e evitando um efeito indesejado resultante de uma corrente muito alta. Ao contrário do fusível, que destrói um de seus componentes para interromper o circuito, o disjuntor apenas se desliga, possibilitando que ele seja reutilizado futuramente. 

Seu princípio de funcionamento varia com o tipo de disjuntor, dos quais os mais importantes são os disjuntores térmicos e magnéticos, ou os termomagnéticos que são combinações dos outros dois tipos.

Fig. 1: esquemático de um disjuntor térmico

Os disjuntores térmicos operam com uma lâmina bimetálica em seu interior, dimensionada para dobrar por meio da diferença entre os coeficientes de dilatação dos dois metais, efetivamente desconectando os componentes internos, como os da figura 1, que permitem a passagem de corrente, abrindo o circuito.

Os disjuntores magnéticos dimensionam uma bobina para produzir um campo magnético intenso o suficiente para deslocar um contato móvel caso o valor da corrente que passa pela bobina for maior que o valor dimensionado. O contato móvel descolado abre o circuito, protegendo seus componentes da corrente indesejada. Como sua atuação se dá por meio do campo magnético, seu resultado é muito preciso e rápido.

Os disjuntores termomagnéticos, como sugerido pelo nome, atuam com ambos os conceitos dos outros dois tipos. Essa junção permite que, em um único produto, exista uma faixa de correntes permitidas para melhor ajuste das necessidades do circuito, além de melhor confiabilidade de seu funcionamento. Este é o tipo de disjuntor que será utilizado no dispositivo portátil para correção de fator de potência, conforme solicitado pelos docentes orientadores.

De acordo com a NBR 5410:2004, em seu item 5.1.3.2.2, o uso de um disjuntor se torna obrigatório no dispositivo portátil para correção do fator de potência a ser construído e acompanhado por este blog. Dois disjuntores com especificações distintas serão obtidos e utilizados.

Referências bibliográficas:

COMO FUNCIONAM OS DISJUNTORES. Disponível em: <http://www.mundodaeletrica.com.br/como-funcionam-os-disjuntores>. Acesso em 26 jun 2016

Figura 1: Disponível em: <http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/bregnd.html>. Acesso em 26 jun 2016.

Sinais de Rede

A rede elétrica brasileira é um sistema de distribuição de energia elétrica e, dependendo da grandeza que se deseja analisar, pode ser modelada como um sinal de tempo contínuo e periódico.

Um sinal de tempo contínuo é aquele que, para todos os valores de tempo, existe uma grandeza associada (Fig. 1), diferente de sinais de tempo discreto (Fig. 2), onde há resposta apenas em alguns valores de tempo.

 Fig. 1:Sinal de tempo contínuo

Fig. 2: Sinal de tempo discreto

Um sinal periódico, por definição, satisfaz a condição x(t)=x(t+T), para todo t. Na prática, sinais periódicos são ciclos que se repetem entre períodos de tempo t. As figuras 1 e 2 apresentam sinais não periódicos e a figura 3, mostra um sinal periódico.

Fig. 3: Sinal periódico

Sendo assim, é possível transformar a tensão da rede, por exemplo, em uma equação, como a descrita abaixo:

Tmáx*sen(ωt+Φ)

Tmáx: Tensão máxima do sinal.
ω: Frequência angular, também escrita como 2*π*f, onde f é a frequência.
Φ: Valor de fase.

Sabendo que a rede brasileira opera a uma frequência padrão de 60 Hz, uma possível modelagem do sistema real é 127*sen(2*π*60*t):

Fig. 4: Gráfico da função 127*sen(2*π*60*t)

Referências Bibliográficas:
Fig. 1 e 2: http://www.ece.ufrgs.br/~eng04006/aulas/aula2.pdf. Acesso em 26 de Jun 2016
Fig. 3: http://www.fem.unicamp.br/~instmed/CGI_temp.htm. Acesso em 26 de Jun 2016
Fig. 4: Autoria Própria.
HAYKIN, SIMON; VEEN, BARRY VAN. Sinais e Sistemas. Porto Alegre: Bookman, 2001. 668 p.

Plano de Trabalho

Plano de Trabalho

1 Concepção

1.1 Contextualização teórica

Início das pesquisas e estudos em livros, artigos e sites além de consulta com professores e orientadores para maior aprofundamento do conteúdo que será aplicado no projeto. A equipe irá buscar obter as fórmulas e caminhos para cálculo do fator de potência a partir da medição da corrente e tensão do circuito. Sendo assim é importante escolher um bom meio para obter as fases da corrente e da tensão, componentes que estão muito suscetíveis a erros. A fim de evitar erros de medição o grupo também procurará conhecer melhor as temáticas sobre a medição de sinais alternados e como combinar isto de melhor maneira com a etapa da codificação. Também será estudado os principais métodos para correção de fator de potência.

1.2 Estudos Sobre os Componentes a Serem Utilizados

Conhecendo melhor a teoria que será aplicada na construção do dispositivo para correção de fator de potência, a equipe irá buscar escolher os melhores componentes a serem comprados ou construídos para atender às demandas do projeto, procurando informações em livros, catálogos e lojas. Os equipamentos e materiais escolhidos são de grande importância para o bom funcionamento do dispositivo, alguns destes como o sensor de corrente, sensor de tensão, unidades para condicionamento de sinais, cpu, display, capacitores, tomadas, plugs e disjuntores.

2 Elaboração

2.1 Atualização do Blog

Com a criação do blog o grupo irá gerenciar postagens semanais que expliquem a teoria aplicada, os componentes comprados ou construídos, os problemas enfrentados além dos avanços em relação a finalização do projeto.

2.2 Produção do Artigo e Apresentação

A partir dos avanços semanais do projeto e com a obtenção de conhecimento teórico a cerca do temas abordados no projeto integrador a equipe irá produzir um artigo para explicar o funcionamento do dispositivo de correção de fator de potência aprofundando em cada etapa do processo de correção, também procurando expor as dificuldades e problemas encontrados e a conexão de cada componente e material com a teoria.

3 Prototipagem

3.1 Compra de Materiais

Depois de escolhido os componentes e materiais necessários, o grupo obterá estes por meio de lojas físicas e virtuais, vale ressaltar que os equipamentos obtidos devem seguir determinadas especificações, pois o não seguimento das especificações podem levar a problemas futuros, como defeitos, erros de medição do equipamento ou até mesmo danificação de outros componentes.

3.2 Construção e Análise de Componentes do Dispositivo

Na construção do circuito determinado, é necessário  um planejamento prévio, já que a organização do dispositivo facilita a manutenção dos componentes e a substituição dos que apresentem algum tipo de defeito. O dispositivo será dividido em partes, a fim de que possa ser testado o funcionamento separadamente de cada parte, por fim junta-se as partes e testa-se a codificação antes de implementar ao circuito. Os componentes serão testados e analisados por meio do uso de equipamentos específicos em laboratórios e com a utilização de cargas de prova. 

3.4 Codificação

Etapa focada para processo de produção do código responsável pelo funcionamento dos componentes do dispositivo. O código será aplicado na cpu escolhida pela equipe e sua construção será dividida para os testes de cada componente separadamente, quando todos demonstrarem bom funcionamento os códigos serão resumidos em um só de maneira que trabalhem em sintonia.

4 Finalização

Com os demais componentes e códigos prontos e em bom funcionamento a equipe montará o protótipo final. Com o dispositivo completo será iniciada uma fase de teste de qualidade  e ajustes finais a fim de encontrar defeitos de funcionamento, para serem corrigidos o quanto antes. Também será a montagem da codificação completa para o dispositivo. A este tempo o artigo e a apresentação em slide já devem estar quase prontos, restando somente processos de revisões e correções de possíveis erros encontrados.

Cronograma

Etapas do Projeto	Expectativas	Período estimado
1ª Etapa	Criação do blog com apresentação dos componentes da equipe e introdução do projeto.	30/05/16 a 06/06/16
2ª Etapa	Criação do plano de trabalho, cronograma, ajustes no blog, início do artigo.	06/06/16 a 17/06/16
3ª Etapa	Contextualização teórica.	17/06/16 a 24/06/16
4ª Etapa	Estudo dos componentes.	24/06/16 a 01/07/16.
5ª Etapa	Preparo do artigo para a segunda entrega intermediária.	01/07/16 a 08/07/16
6ª Etapa	Planejamento da construção do circuito e compra de materiais.	08/07/16 a 18/07/16.
7ª Etapa	Análise de componentes do dispositivo.	18/07/16 a 25/07/16.
8ª Etapa	Finalização do artigo, criação da apresentação, revisões do projeto.	25/07/16 a 11/08/16.
9ª Etapa	Ajustes finais no projeto, revisão da apresentação.	11/08/16 a 18/08/16.

Avanço Semanal - 20/06/16

Nesta semana teve início a fase de estudo e familiarização com alguns dos componentes eletrônicos e linguagem de programação que serão utilizados no projeto, uma vez que alguns dos integrantes da equipe já possuíam o equipamento necessário. Na figura 1 estão em destaque uma plataforma Arduino Uno e um display LCD que já foram postos em funcionamento para testes.

Fig. 1: Teste realizado com o display LCD, "S.P. Engenharia Fator de Potencia"

Também já começaram discussões acerca da utilização e organização das entradas e saídas digitais e analógicas do Arduino. As escolhas dos pinos que serão utilizados são de grande importância uma vez que influenciam na eficiência do dispositivo. Os componentes devem ser alocados de maneira que sobrem saídas suficientes para poder utilizar uma boa quantidade de capacitores no banco, implicando em uma melhor e mais precisa correção no fator de potência. A figura 2 demonstra um esquema sobre uma possível organização dos componentes a serem utilizados em suas respectivas saídas e entradas. 

Fig. 2: Esquema de organização com Arduino

Nesta atual organização restam somente 6 saídas digitais para manipular os relês, que serão os responsáveis por realizar as conexões em paralelo, quando acionados, entre o banco de capacitores e as cargas de prova. Nesta situação o banco só poderá conter seis capacitores, porém ainda existindo uma boa quantidade de combinações entre os valores de capacitância que serão escolhidos devido ao fato de que capacitores em paralelo tem suas capacitâncias somadas.

A equipe também começou a procurar e pesquisar modelos de sensores de tensão para serem utilizados no projeto. Apesar de já se conhecer a tensão da rede de alimentação é importante levar em consideração as perdas associadas a transmissão da eletricidade, por isso existindo a necessidade de fazer uma medição da tensão que será aplicada nas cargas de prova. Dentre os sensores encontrados um modelo se destacou, um modulo de sensor de tensão que utiliza o circuito integrado TIL116. A equipe ainda não se decidiu qual modelo será comprado, necessitando de mais pesquisas acerca da eficiência de leitura de tensão alternada dos sensores encontrados.

Fig. 3: Modulo sensor de tensão P8

Referências Bibliográficas:

Figura 1: Autoria própria.

Figura 2: Autoria própria.

Figura 3: Disponível em: <http://loja.multcomercial.com.br/modulo-sensor-de-tens-o-gbk-robotics-p8.html>. Acesso em 19 jun 2016.

Avanço semanal - 12/06/16

Nessa semana os integrantes da equipe decidiram utilizar o Arduino uno para executar o projeto. Os principais motivos foram:

Fig. 1: Arduino Uno

-Custo relativamente baixo;
-Fácil aquisição;
-Programação pouco diferente da vista pelos integrantes.

Para o cálculo do fator de potência, é necessário adquirir valores de tensão e corrente da rede e reconstruí-los como sinais periódicos. A frequência da rede elétrica brasileira é de 60 Hz, fazendo com que a frequência de amostragem mínima fosse de 121 leituras por segundo, de acordo com a taxa de amostragem de Nyquist. Porém, depois de discussões com o professor de Sinais e Sistemas e exposições práticas, ficou claro que 121 Hz de amostragem é insuficiente para recriar o sinal da rede e ter resultados precisos. A frequência ideal fica em torno de 1000 a 2000 amostragens por segundo e essa era a principal preocupação da equipe, pois não era conhecido qual o valor de amostragem que o Arduino poderia ter. Após algumas pesquisas, encontramos o valor de 8,6 kHz, mais de 4 vezes o valor ideal e a equipe decidiu por utilizar o Arduino. A figura 2  abaixo demonstra um gráfico recriado com amostragem de 1600 pontos por segundo e outra com amostragem de 121 pontos por segundo. Ambos são da mesma função y(t)=127*sen(2*pi*60*t).

Fig 2: Amostragem de 1600 Hz e 121 Hz.

Outro detalhe discutido foi sobre o sensor de corrente que será utilizado no dispositivo. Após algumas buscas a equipe encontrou dois modelos de sensores que utilizam o efeito hall para a leitura de corrente, cada um com suas vantagens e desvantagens:

SCT-013 - datasheet: https://nicegear.co.nz/obj/pdf/SCT-013-datasheet.pdf

Fig. 3: Sensor de corrente SCT-013-020

-Modelo: SCT-013-005, para medições dentro da faixa de 5 A;
-Sensor não invasivo de corrente, não precisa interromper o circuito para realizar leituras, similar ao alicate amperímetro;
-Alto custo, na faixa dos R$ 69,90;
-Baixa precisão;
-Sinal de resposta entre 0 e 1 V

Modulo para ACS712 - datasheet: http://img.filipeflop.com/files/download/Datasheet_ACS712.pdf

Fig. 4: Módulo do sensor ACS712

-Modelo para medições entre 5 A e -5 A;
-Sensor invasivo de corrente, é necessário interromper o circuito para realizar leituras;
-Baixo custo, aproximadamente R$ 17,00, sem o valor do frete;
-Boa precisão;
-Sinal de resposta entre 0 e 5 V, com 2,5 V representado 0 A;

Ainda não foi escolhido o modelo que será adquirido, necessitando de mais alguns estudos a cerca do processo de medição de corrente e fatores como ruido, imprecisão e faixa de medição.

Referências Bibliográficas:

HAYKIN, SIMON; VEEN, BARRY VAN. Sinais e Sistemas. Porto Alegre: Bookman, 2001. 668 p.
Figura 1: http://www.vetco.net/catalog/product_info.php?products_id=13665. Acesso em 12 jun 2016
Figura 2: Autoria Própria
Figura 3: http://www.filipeflop.com/sensores-ct-41d97. Acesso em 12 jun 2016.
Figura 4: http://www.filipeflop.com/sensores-ct-41d97. Acesso em 12 jun 2016

Fator de Potência

Um dos maiores problemas relacionados com o consumo e transporte de energia elétrica é a eficiência energética. Todo processo de transmissão de energia elétrica está envolto por vários tipos de perdas, desta maneira, ao analisar a energia consumida por um eletrodoméstico é possível notar que ele acaba consumindo menos do que esta sendo fornecido pela rede de alimentação. Como a questão da eficiência energética está relacionada com diversos fatores econômicos, uma vez que existem determinados custos para o processo de transmissão de eletricidade, é de clara importância a atenção que deve ser dada ao consumo de energia elétrica. 

Ao analisar a potência consumida por um eletrodoméstico e a potência fornecida a ele pode-se conseguir uma relação que é conhecida como fator de potência. O fator de potência é representado como a energia real que esta sendo consumida por uma carga, ou seja, uma fração da potência fornecida a ele que teve algum tipo de perda. Muitos fatores influenciam nestas perdas de potência, dentre eles um dos mais importantes é a existência de carga reativas. Essas são representações de comportamentos capacitivos e indutivos realizados por componentes em circuitos elétricos.

As redes elétricas alimentam as residências com corrente e tensão alternadas. Estes tipos de sinais são expressos em funções cossenoidais ou senoidais, geralmente representadas por equações como na figura 1, onde w representa a frequência, θ o angulo de fase e Vmáx e Imáx a amplitude máxima dos sinais.

Fig. 1: Equações para Tensão e Corrente alternadas

O ângulo de fase é um componente de grande importância em termos de potência, isso porque o fator de potência pode ser representado como o cosseno da diferença entre a fase da tensão e da corrente. Como já conhecido a potência média de um circuito pode ser encontrada através do produto da tensão pela corrente e operando a equação original é possível chegar na equação representada na figura 2.

Fig. 2: Equação para potência e fator de potência

A partir da análise da figura 2 é possível tirar algumas conclusões importantes acerca do ângulo obtido da subtração da fase da tensão pela corrente, chamado de ângulo do fator de potência. Uma vez que este ângulo para certo circuito se aproxime de 90º ou -90º está implícito a existência de cargas reativas, componentes responsáveis pelas perdas de potência. Quando o ângulo se aproxima de 90º o circuito possui comportamento indutivo e se afirma que a corrente está atrasada em relação a tensão, já quando se aproxima de -90º o circuito possui comportamento capacitivo e se afirma que a corrente está adiantada em relação a tensão, fator de potência atrasado e fator de potência adiantado respectivamente. Para uma transferência de potência ideal fica claro que o valor do fator de potência deve ser igual a 1, com seu ângulo sendo igual a 0. Também é evidente que qualquer variação do ângulo do fator de potencia irá influenciar na potência real consumida pelo circuito, uma vez que fator de potência será reduzido.

Existem outras maneiras de se obter o fator de potência, uma delas é através da razão da potência média e a potência aparente. A potência aparente representa a potência total sem perdas do circuito, ou seja a soma da potência resistiva e reativa. Sendo assim, ao calcular a razão entre essas duas potências é possível encontrar o fator de potência, que irá indicar a eficiência do consumo de energia. Outra maneira de determinar o fator de potência é através da fase da impedância da carga. a figura 3 demonstra como se obter este valor.

Fig. 3: Fase da impedância

Como observado na figura 3, o ângulo de fase da razão entre a tensão e a corrente, que será a fase da impedância da carga, é o mesmo para o fator de potência. Tal fato se evidencia ao passo que componentes resistivos possuem ângulo de fase igual a 0, componentes capacitivos e indutivos ângulos próximos a -90º e 90º, respectivamente. Estes que influenciam diretamente no fator de potência de um circuito.

Referências Bibliográficas:

ALEXANDER, C. K.; SADIKU, M. N. O.Fundamentos de Circuitos Elétricos. 5ª ed. Porto Alegre: AMGH, 2013. 874 p.

MANUAL DE CORREÇÃO DE FATOR DE POTÊNCIA. Disponível em: <http://www.engeletrica.com.br/fatordepotencia-manual-fatordepotencia.html>. Acesso em 12 jun 2016

O QUE É EFICIÊNCIA ENERGÉTICA?. Disponível em: <http://www.inee.org.br/eficiencia_o_que_eh.asp?Cat=eficiencia>. Acesso em 07 jun 2106

SAIBA O QUE É POTÊNCIA ATIVA, REATIVA E APARENTE. Disponível em: <http://www.tecnogerageradores.com.br/blog/saiba-o-que-e-potencia-ativa-reativa-e-aparente/>. Acesso em 12 jun 2016

Apresentação da Equipe

A equipe responsável pela realização do projeto integrador é constituída por alunos do Senai CIMATEC do curso de engenharia elétrica do 5º trimestre, orientados pelo professor Frederico Ramos Cesário. Como foi solicitado os discentes representarão uma empresa fictícia, iniciante no ramo de eficiência energética chamada de Soluções em Potências Engenharia ( S.P. Engenharia ) o e-mail para contato da equipe/empresa é piengeletrica2016@gmail.com. Apresentação dos membros:

Allan Fonseca Seixas

 João Paulo Pessôa Pereira

Nélson Dias Timbó

Robson Costa Monteiro Filho

Apresentação do Projeto

O Projeto Integrador (PI) é uma atividade que tem como objetivo aplicar os conhecimentos adquiridos ao longo do curso de engenharia elétrica para realizar uma atividade que empregue, principalmente, os conhecimentos adquiridos ao logo do trimestre nas disciplinas de Circuitos Elétricos II, Sinais e Sistemas I e Técnicas de Programação.

A equipe S.P. Engenharia será responsável por esquematizar e desenvolver um aparelho portátil que meça e corrija fator de potência de redes elétricas, seguindo estes critérios:

• Realizar a correção do fator de potência para maior ou igual a 0,92.

• Apresentar em display as grandezas de tensão e corrente eficaz, potência ativa, reativa e aparente e fator de potência.

• Atualizações de display feitas em menos de 1 segundo.

• Por questões de segurança, o dispositivo deverá ser acondiciona dentro de um invólucro isolado.

• Seguir as normas ABNT NBR 14136:2002, sendo entrada plug de três pinos e saída tomada 10 A de três pinos.

• Porta USB acessível para gravação de firmware.