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Este documento explica os procedimentos técnico-acadêmicos da revisão bibliográfica do projeto de teste para um medidor trifásico de energia elétrica, realizada pela equipe helton bernardo e júlio feitosa. O documento aborda a importância dos sistemas trifásicos de energia elétrica na indústria, a necessidade de eficiente medição e análise da qualidade elétrica, e os componentes de um dispositivo de medição trifásica. Palavras-chaves: sistemas trifásicos, medidor, energia elétrica, qualidade elétrica, controle energético.
Tipologia: Trabalhos
1 / 24
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ELÉTRICA: Análise da qualidade trifásica de energia
Prof. Dr. Marcel Araújo
Cabo de Santo Agostinho, PE
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 PJT2. Data de submissão: 8 nov. 2021.
Plataforma de submissão: SIGAA/SIGS. Tipo
documental: Relatório Parcial.
Cabo de Santo Agostinho, PE
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 𝐼
𝑛𝑚
≤ 200 𝐴 e 𝑉
𝑛𝑚
= 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
(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).
(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 (𝑉
𝜙
e 𝐼
𝜙
, respectivamente) quanto de linha (𝑉
𝐿
e 𝐼
𝐿
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(𝜙
𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠
)) antigo do sistema elétrico,
definindo a capacitância de correção para o fator de potência
𝐴𝑁𝐸𝐸𝐿
) 𝑖𝑔𝑢𝑎𝑙 à 0 , 92 ) de especificação da ANEEL (ANEEL,
Resolução Normativa nº 414; 2021).
𝟑
𝜙
O fator de potência é tido a partir da expressão,
𝑣
𝑖
Onde os ângulos 𝜃 𝑣
e 𝜃
𝑖
são as defasagens da tensão de fase e as correntes de
fases, em ambas as configurações de ligação.
O equilíbrio de cargas elétricas no sistema trifásico é apresentado pela
uniformidade da impedância 𝑍 𝛥
ou 𝑍
𝑌
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.
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).
(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.
Tabela 1: Método 5W2H para a utilização dos materiais e equipamentos.
(BERNARDO, H. & 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.
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.
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.
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.
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.
equilibrada. O Wattímetro mensurou uma potência ativa em 66 , 06 𝑘𝑊, para a
potência aparente 𝑆 em 𝑉𝐴, dada pela equação (8) e (9):
𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟
𝐿
𝑟𝑚𝑠
𝑟𝑚𝑠
Assim é possível determinar o fator de potência do sistema simulado:
cos (𝜙) =
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 de 6
portas com configuração triângulo. Fonte: AUTOR.
Na configuração triângulo da carga (motora) é analisada que as correntes de
linhas 𝐼 𝑎
𝑏
= 196 𝐴 e 𝐼
𝑐
= 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 𝐼
𝐿
𝐼 𝐹
√ 3
. O Wattímetro mensurou uma potência ativa em 62 , 3 𝑘𝑊, para a potência
aparente 𝑆 em 𝑉𝐴, dada pela equação (10) e (11):
𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟
𝐿
𝑟𝑚𝑠
𝑟𝑚𝑠
Assim é possível determinar o fator de potência do sistema simulado:
62 , 3 𝑘𝑊
74 , 3 𝑘𝑉𝐴
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
AC Amps
Van
Vbn
Vcn
AC Amps
AC Amps
AC Volts
AC Volts
AC Volts
+1. 60
M
MOTOR-BLDCM
AC Amps
12
AC Amps
1
13
AC Amps
113
kW
62
.
30
AC Volts
AC Volts
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
𝑓𝑎𝑠𝑒
𝑙𝑖𝑛ℎ𝑎
𝑓𝑎𝑠𝑒
𝑙𝑖𝑛ℎ𝑎
𝑎𝑛
𝑎𝑏
𝑎𝑛
𝑎𝑏
𝑏𝑛
𝑏𝑐
𝑏𝑛
𝑏𝑐
𝑐𝑛
𝑐𝑎
𝑐𝑛
𝑐𝑎
Triângulo
𝑎𝑛
𝑎𝑏
𝑎𝑛
𝑎𝑏
𝑏𝑛
𝑏𝑐
𝑏𝑛
𝑏𝑐
𝑐𝑛
𝑐𝑎
𝑐𝑛
𝑐𝑎
Tabela 3: Dados obtidos na simulação pelo circuito trifásico das Figuras 5 e 6.
Assim a partir das simulações iniciais pode-se definir uma padronização para os
efeitos de carga que o protótipo medidor será melhor empregado:
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, 𝑓
𝑛𝑚
Tabela 4: Dados de uniformização da carga. (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.
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.
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),
𝑑𝑒𝑡𝑒𝑐𝑡𝑎
𝑐𝑐
𝑛
𝑜
𝑑𝑒 𝑏𝑖𝑡𝑠
10 𝑏𝑖𝑡𝑠
Cada terminal pode detectar até 4 , 88 𝑚𝑉, isto corresponde, a uma corrente de
detecção, pela sensibilidade média do ACS755SCB- 200.
deteccão
𝑑𝑒𝑡𝑒𝑐𝑡𝑎
𝑜𝑢𝑡
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 𝑉 𝑜𝑢𝑡
(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 𝐼 𝑖𝑛
= 2 𝑚𝐴, a
tensão de entrada é a equipe que define (visto que, a mesma especifica a
padronização da carga) para 𝑉 𝑖𝑛
= 600 𝑉 (a qual atente muitas aplicações
motoras industriais):
′
𝑖𝑛
𝑖𝑛
′
𝑜𝑢𝑡
′
𝑜𝑢𝑡
𝑖𝑛
𝑜𝑢𝑡
Assim, introduziu-se no circuito do protótipo dois resistores de 300 𝑘Ω e 2 , 5 𝑘Ω
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).
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
