controle de fator de potência no secundário (lado da carga) de
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[16]- SILVA JR., A. N. Eficiência Energética em Sistemas de Aeração de Silos de Armazenagem de Grãos, utilizando Inversores de Freqüência. 2004.132p. Tese(Doutorado) Universidade Estadual Paulista - UNESP. Botucatu, 2004. [17]-SILVEIRA, P.; SANTOS, W. Automação e Controle Discreto. 10. Ed. Tatuapé. SP.: Ed. Érica, 2002. 229p. [18]-SIMPSON, C. D. Programmable Logic Controllers. NJ. Regents / Prentice Hall, 1994.294 p. [19]- SOUZA, F. C. Desenvolvimento de metodologia de aplicação de redes de Petri para automação de sistemas industriais com controladores lógicos programáveis. 2006.146p. Dissertação (Mestrado) Universidade de São Paulo - USP. São Paulo, 2006. [20]- TAIT, A. Internets and intranets for industrial applications. Hypermedia in Manufacturing Seminar, 1998. [21]- UDDIN, S.; NOR, K. M.; SALAM, S. Integration technique for an expert system on to a real-time system. Proceedings of the TENCON’2000, 2000. [22]-WARNOCK, I.G. Programmable Controllers – Operation and Application. Ed. Prentice Hall Europe, 1997. 447 p. [23]- WERNECK, M. M. Transdutores e Interfaces. 1 Ed. Rio de Janeiro: Editora Livros Técnicos e Científicos, 1996. 226 p. [24]- ZANCO,W.S.Microcontroladores PIC,1ªed;Érica,2005.
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9.2.2 Entrada dos Capacitores
Deve-se melhorar a programação para a entrada de cada capacitor, pois é recomendado que
tenha um intervalo entre o chaveamento entre dois capacitores isso melhora o refino do
controle conseqüentemente aumenta da eficiência energética.
9.2.3 Teste e Verificação dos transformadores de Isolação
A colocação dos transformadores de interface do circuito de potência e o circuito de comando.
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9. CONCLUSÃO E SUGESTOES PARA TRABALHOS FUTUROS
9.1 Conclusão
A instalação de dispositivos de correção do fator de potência é necessária não só para
otimização do sistema de potência e para liberação do fluxo de potência do transformador,
como é para evitar gastos de dinheiro desnecessários com multas por operar com fator de
potência abaixo do limite determinado em lei. Com objetivo de melhorar a eficiência
energética de um sistema de um transformador trifásico foi elaborado um projeto de controle
de fator de potência usando capacitor em paralelo com a carga. Este sistema permite a
correção automática do fator de potência de uma instalação trifásica industrial. O uso de
dispositivo eletrônico como o microcontroladores para o controle torna o sistema flexível, de
baixo custo, configurável por software, permitido monitorar a falhas, Além disso, é possível
comunicar com o CLP que se comunique com o microcontrolador, informando a qualquer
momento as condições do sistema de potência. O objetivo alcançado neste trabalho
apresentou-se satisfatórios, pois a simulação feita no software proteus, software Proficy
Machine Edition e posteriormente a implementação da programação no CLP GE Fanuc Versa
Max e no microcontrolador para o chaveamento dos capacitores foi positiva.. A necessidade
de se preservar energia foi despertada aliada ao retorno financeiro proporcionando ao
consumidor. O investimento inicial aplicado ao controle fator de potência justifica sua
implementação.
9.2 Sugestões para trabalhos Futuros
9.2.1 Implementação da Comunicação : PIC para CLP
Com a posse dos dados de tempo de defasagem calculados pelo microcontrolador PIC, é
necessário que seja feita a transferência desse tempo de defasagem do PIC para PLC, isto é
conseguido substituindo o microcontrolador usado no protótipo por outro que ofereça um
modulo adicional de saída analógica.
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8. RESULTADOS EXPERIMENTAIS Algumas tentativas foram feitas para obter os sinais de tensão e corrente: 1º-Tentou-se fazer a captura do sinal de tensão sobre uma resistência variável, e amostrar no
sistema de supervisão. O resultado não foi satisfatório, visto que, o número de pontos obtido
pelo sistema de supervisão era pequeno para reconstrução do sinal.
2º- Utilizou-se de um sensor de corrente e outro de tensão que era ligado diretamente na
entrada digital do CLP, mais se verificou que o sinal fornecido pelos sensores não era
compatível com a entrada do módulo deste CLP.
3º-A terceira tentativa foi ligado os sensores de tensão e de corrente a um tiristor de potência
,que era ligado ao CLP, mais ouve problema com a entrada digital do módulo do CLP que é a
base de relé eletromecânico.
4º-Tentativa foi a melhor, com a utilização dos sensores de corrente e tensão ligado com um
microcontrolador que por sua vez estava ligado com a entrada analógica do CLP.
Foi montado um protótipo trifásico, com um banco de quatro capacitores para acionar três
motores e lâmpadas. Nesse protótipo podemos variar a capacitância em cada fase. Procurou-
se desenvolver um protótipo que mostrasse, que á medida que a carga fosse ligada por meio
de chaves, os bancos capacitivos fossem sendo acionados, mantendo o fator de potência
dentro dos limites impostos pelo usuário. Como apresentado na foto da montagem prática
experimental da figura 7.2, onde vemos as cargas, botões de acionamentos, entrada das cargas
para ser acionadas via CLP e na para inferior não mostrada na maquete relés de acionamento.
A utilização de transformadores que faz a interface do sistema de potência e o sistema de
controle não atingiu o resultado esperado, pois não foi feita uma analise teórica sobre
transformadores isoladores acredita-se que com um pouco de estudo pode-se chegar uma
relação no número de espiras que elimine ou pelo menos atenue os efeitos dos ruídos,
prejudicando um pouco o resultado do controle.
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Figura 7.9 Faixa de Alocação dos Capacitores
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Na segunda linha da programação faz simplesmente o seguinte: obtém o tempo de defasagem
fornecido pelo microcontrolador calcula o valor do ângulo e guarda em um registrador de
memória chamado “FI”, na terceira linha é calculado o cosseno de ângulo FI e guarda em
outro registrador chamado auxi05 Na Figura 7.9 mostra a programação do fator de potência
para a faixa menor 0,62 e para faixa entre 0,62 e 0,72 feita no proficy Machine e foi definido
quatro faixas 0,62; 0,72;0,82 e 0,92 para o acionamento do banco de capacitores ligado em
cada fase da rede. Esse controle verifica quantos capacitores irá entrar no sistema, já com os
valores calculados do FP, visto no item 7.5.1, verifica se o FP calculado for menor do que
0,62 ele aciona as quatro saída digital do CLP colocando em nível lógico 1, se ficar na faixa
entre 0,62 e 0,72 ele aciona três saída digital ,se ficar na faixa entre 0,72 e 0,82 aciona duas
saídas digitais, se ficar na faixa entre 0,82 e 0,92 aciona e saída digital e acima disto não faz
nada, fechando uma chave que aciona uma fonte de corrente continua que alimenta a bobina
do relé de 24VCC que por sua vez aciona os capacitores.
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Figura 7.8 Cálculo do Fator de Potência
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No microcontrolador através do módulo CCP configurou-se os dois pinos, um para capturar o
sinal de subida de defasagem de tempo e em outro pino para capturar o sinal de decida deste
mesmo sinal. A exatidão desta medida é garantida por ele fazer esta contagem baseando em
um cristal oscilador com freqüência de 20 MHz. Os recursos do microcontrolador utilizados
foram módulos de captura de sinal, contagem de eventos (interrupções) e saída analógica para
envio das informações ao PLC.
• A Comunicação entre o Circuito de obtenção de Defasagem de Tempo e o CLP
Como visto no item 3.1 deste trabalho, que o microcontrolado também possui dois módulos
de comunicação de dados serial um chamado MSSP e o outro USART. Podendo ser usado
para leitura em um microcomputador ou envido de dados para um CLP que também se
comunique com estes protocolo. Após a obtenção das informações do tempo de defasagem
entre tensão e corrente de todas as fases foi previsto no projeto inicial que seria função do
microcontrolador o envio destes dados ao PLC através de uma saída analógica. Porém como o
microcontrolador disponível para ser utilizado neste trabalho possui funções de captura,
compare e PWM (Pulse Width Modulation) em apenas dois pinos não foi possível
implementar este envido de dados, sendo necessário um microcontrolador que possua no
mínimo três pinos disponíveis com esta função,sendo que dois pinos para captura do
sinal(borda de subida e de decida) e um para PWM para gerar o sinal analógico a ser enviado
para o PLC.
7.5 A programação do CLP e a Correção do fator de Potência
A programação para correção do fator de potência foi desenvolvido em um software chamado
Proficy Machine Edition utilizados para simular lógica de linguagem ladder que permite
desenvolver lógica combinacionais, seqüenciais e circuito que envolva ambas, utilizando
como operador para essa lógica entradas, saídas, estados auxiliares e registro numéricos.
7.5.1 A programação da lógica do Fator de Potência
A lógica desenvolvida para essa finalidade está mostrada na Figura 7.8
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O sinal de defasagem:
Após a obtenção dos sinais que representam os instantes de passagem por zero de tensão e
corrente, obtidos através do comparador descritos anteriormente, foi utilizado um circuito
integrado HFE4081 (porta lógica AND) que somando estes dois sinais constrói um terceiro
sinal que representa exatamente a defasagem em tempo entre tensão e corrente, conforme a
Figura 7.7 onda em verde.
Figura 7.7 - Sinal de Defasagem entre a Tensão e Corrente
Na figura o sinal de tensão é representado pela onda quadrada em amarelo, o sinal de corrente
pela onda de cor azul, o sinal de defasagem pela cor verde. Verifica-se que o sinal de
defasagem é obtido no momento em que ocorre uma primeira passagem do sinal de tensão por
zero, seguido momento em que a corrente passa por esta mesma transição, do semicírculo
negativo para o positivo, defasagem entre os sinais de tensão e corrente representa o tempo de
defasagem.
• O microcontrolador
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7.4 Princípio de Funcionamento do Circuito
O circuito da Figura 7.6 simulado também no proteus mostra a obtenção do tempo de defasagem entre a tensão e a corrente para uma única fase.
Figura 7.6 – Circuito com Sensores e PIC
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Figura 7.5 Sinal da Saída do Sensor de Tensão
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7.3.2 Principio de funcionamento do sensor de Tensão
Figura 7.4 Transformador Acoplado ao Sensor de Tensão O sensor de tensão mostrado na Figura 7.4 também foi simulador na plataforma de
desenvolvimento proteus e funciona da seguinte maneira: O primário de um transformador é
ligado diretamente em uma das fases da rede, a tensão senoidal do primário é refletida para o
secundário, então esse sinal entra em um comparador, que compara o sinal de entrada com 0V
se o valor de entrada for positivo a saída vai para +5V e se o sinal de entrada for negativo a
saída vai para -5V.A Figura 7.5 mostra como a onda da saída do comparador acompanha a
onda senoidal a uma freqüência de 60HZ.
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Figura 7.3 Transformador Acoplado ao Sensor de Corrente O sensor de corrente mostrado na figura 7.3 foi simulador na plataforma de desenvolvimento
proteus e funciona da seguinte maneira: O primário de um transformador é ligado diretamente
em uma das fases da rede alimenta as cargas indutivas e resistivas, a corrente senoidal do
primário é refletida para o secundário, então esse sinal entra em um comparador, que compara
o sinal de entrada com 0 v se o valor de entrada for positivo a saída vai para +5V e se o sinal
de entrada for negativo a saída vai para -5V.
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• Três bancos de capacitores, que serão inseridos em paralelo com as cargas indutivas como
forma de correção do fator de potência.
• Uma prancha de madeira, usada como suporte para o painel.
• 8 Botões com retenção.
• Disjuntores de proteção.
• Bornes.
• Fios.
• CLP.
• Relés eletromecânicos.
7.3 Os Sensores
Devido à dificuldade de encontrar os sensores de tensão e de corrente, e também de encontrar
um de baixo custo, para realizar as medidas de tensão e corrente, optou-se por construir
sensores utilizados.
7.3.1 Principio de funcionamento do sensor de Corrente
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determinada posição da rede trifásica. [Por motivo de segurança e por falta de equipamentos,
não se implementou um sistemas que pudesse fazer uma controle global, visto que os
sensores ficaria na entrada do secundário de um transformador trifásico de alta tensão e a
manipulação dessas variáveis de tensão e corrente aumenta o risco de acidentes.] A Figura 7.2
abaixo mostra a maquete do trabalho.
Figura 7.2 – A Maquete
Os equipamentos utilizados na construção da maquete foram:
• Um sensor, para detecção de defasagem entre tensão e corrente.
• Cargas indutivas (Ventiladores).
• Cargas resistivas (lâmpadas).
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Figura 7.1 – Esquema de Ligação dos Componentes
7.2 A Maquete
Foi desenvolvido um protótipo em uma maquete, para controlar o fator de potência de um
transformador trifásico, controle local, ou seja, controla as cargas ligadas em uma
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7. PRÓTOTIPO DE DESENVOLVIMENTO PARA CORREÇÃO DE FATOR DE
POTÊNCIA
7.1 Metodologia
O projeto foi realizado com a construção de uma maquete que contém os seguintes
componentes: banco de capacitores, pois é a configuração mais utilizada na prática, o
resultado contém o menor custo final. Utilizou-se bancos de capacitores em paralelo com as
cargas de cada fase, um CLP GE Fanuc VersaMax que controla o chaveamento dos
capacitores de acordo com o fator de potência momentâneo e um microcontrolador utilizado
para medir a defasagem do tempo entre a tensão e a corrente, utilização de um software
elipse escada de sistema de supervisão que mostrou o de fator de potência, utilização de
sensores de corrente e de tensão que irá monitorar seus estados, utilização de lâmpadas para
servir como carga resistiva, de ventiladores para servir como carga indutivas, de switch para
o acionamento das cargas, de um software computacional chamado proteus para simulação de
controle do microcontrolador e de um transformador para alimentar o circuito e disjuntores de
proteção contra descargas elétricas entre outros. A Figura 7.1 mostra o esquema de ligação do
componente citados nesta metodologia.
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quais dados um computador vai atuar, como estes dados serão armazenados ou transmitidos e
quais ações devem ser tomadas sob várias circunstâncias.
Uma das principais metas das linguagens de programação é permitir que programadores
tenham uma maior produtividade, permitindo expressar suas intenções mais facilmente do que
quando comparado com a linguagem que um computador entende nativamente (código de
máquina). Assim, linguagens de programação são projetadas para adotar uma sintaxe de nível
mais alto, que pode ser mais facilmente entendida por programadores humanos. Linguagens
de programação são ferramentas importantes para que programadores e engenheiros de
software escrevam programas mais organizados e com maior rapidez. Linguagens de
programação também tornam os programas menos dependentes de computadores ou
ambientes computacionais específicos. Isto acontece porque programas escritos em
linguagens de programação são traduzidos para o código de máquina do computador no qual
será executado em vez de ser diretamente executado.
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• Históricos e Banco de Dados;
• Lógica de Programação Interna (Scripts);
• Comunicação com outros Sistemas SCADA.
A regra geral para o funcionamento de sistemas SCADA parte dos processos de comunicação
com os equipamentos de campo, cujas informações são enviadas para o núcleo de
processamento. O núcleo é responsável por coordenar e distribuir o fluxo de informações para
os demais módulos, até chegarem na forma esperada para o operador do sistema, através da
interface gráfica, possivelmente acompanhada de gráficos e animações.
6.5 Software Supervisório
Segundo Ogata (2003), o software supervisório é visto como o conjunto de programas
gerados e configurado no software básico de supervisão, implementando as estratégias de
controle e supervisão com telas gráficas de interfaceamento homem-máquina que facilitam a
visualização do contexto atual, a aquisição e tratamento de dados do processo e a gerência de
relatórios e alarmes. Este software deve ter entrada de dados manual, através de teclado. Os
dados serão requisitados através de telas com campos pré-formatados que o operador deverá
preencher. Estes dados deverão ser auto-explicativos e possuírem limites para as faixas
válidas. A entrada dos dados deve ser realizada por telas individuais, seqüencialmente, com
seleção automática da próxima entrada. Após todos os dados de um grupo ser inserido, esses
poderão ser alterados ou adicionados pelo operador, que será o responsável pela validação das
alterações.
6.6 Linguagem de Programação
Uma linguagem de programação é um método padronizado para expressar instruções para um
computador. É um conjunto de regras sintáticas e semânticas usadas para definir um programa
de computador. Uma linguagem permite que um programador especifique precisamente sobre
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modo como as informações fluem do CLP para os microcomputadores, pode ser
implementada através de redes Ethernet, fibras óticas, linhas dial-up, rádio, etc. Assim, é
possível conseguir uma intercomunicabilidade entre todos os elementos da estrutura de
automação através de um meio físico adequado definido para a transmissão de dados, criando
um sistema de comunicação em rede em que os elementos podem trocar dados e compartilhar
recursos entre si (TAIT, 1998). As estações de monitoração são responsáveis por recolher as
informações geradas pelas estações remotas e agir em conformidade com os eventos
detectados, sendo também responsáveis pela interação com os operadores. Podem ser
centralizadas num único computador ou distribuídas por uma rede de computadores, de modo
a permitir o compartilhamento das informações obtidas (SILVA; SALVADOR, 2004).
Figura 6.3 – Rede de Comunicação
6.4.2 Componentes Lógicos de um Sistema SCADA
Internamente, os sistemas SCADA se dividem em blocos ou módulos, que vão permitir maior
ou menor flexibilidade e robustez, dependendo da aplicação desejada. Basicamente, pode-se
dividir um supervisório nos seguintes módulos:
• Núcleo de Processamento;
• Módulo de Comunicação com o CLP;
• Interface Gráfica;
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(2000), os sistemas de supervisão de processos industrias desempenham três atividades
básicas:
• Supervisão;
• Operação;
• Controle.
Na supervisão, incluem-se todas as funções de monitoramento do sistema, tais como gráficos
de tendências das variáveis analógicas ou digitais, relatórios em vídeo e impressos, entre
outros (CAMPBELL, 1988). A operação nos atuais sistemas SCADA tem a vantagem de
substituir as funções da mesa de controle, otimizando as opções de ligar e desligar
equipamentos ou seqüência de equipamentos, ou ainda mudar o modo de operação dos
equipamentos de controle. No controle supervisório os algoritmos de controle são executados
numa unidade de processamento autônomo (CLP). Assim o supervisório é responsável por
ajustar o set-point do mecanismo de controle dinamicamente, de acordo com o
comportamento global do processo.
6.4.1 Componentes Físicos
Os componentes físicos de um sistema SCADA podes ser resumidos basicamente em:
sensores e atuadores, rede de comunicação, estações remotas e as estações de monitoração
central (microcomputadores). Segundo Werneck (1996), os sensores podem ser analogamente
comparados aos olhos, pois capturam as informações relativas ao estado do processo físico
industrial e as transmitem ao controlador do processo, assim como os olhos capturam as
imagens e as transmitem ao cérebro. O instrumento de medição nas industriais tem os
sensores como elemento primário e podem ser classificados de acordo com o tipo de sinal
transmitido, podendo ser analógico ou digital. O processo de controle e aquisição de dados se
inicia nas estações remotas, CLP’s, com a leitura dos valores atuais dos dispositivos que a ele
estão associados e seu respectivo controle.
Os CLP’s são unidades computacionais específicas, utilizadas comumente nas indústrias para
ler entradas, realizar cálculos ou comandos e atualizar saídas. A rede de comunicação é o
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Como os transistores, as saídas triac são silenciosas, não tem peças móveis sujeitas a desgaste,
são rápidas e transportam cargas de até 0,5A. As saídas de estado sólido (triacs e transistores)
podem ser danificadas e destruídas em caso de sobre tensão ou sobrecarga.
6.3.6 Fonte de Alimentação
Dispositivo responsável pela alimentação fornecida à CPU e aos módulos (circuitos) de
entrada / saída. Em alguns casos proporciona saída auxiliar de baixa corrente.
6.4 Sistema Scada
Segundo Melendez (2001), os sistemas de supervisão de processos industriais são também
conhecidos como sistemas SCADA (Supervisory Control and Data Aquisition). Os primeiros
sistemas SCADA, basicamente telemétricos, permitiam mostrar o estado corrente de
processos industriais monitorando apenas sinais representativos de medidas e estados de
dispositivos através de um painel de lâmpadas e indicadores, sem que houvesse qualquer
interface de operação com o utilizador.
Atualmente os sistemas de automação industrial utilizam tecnologia de computação e
comunicação para automatizar a monitoração e controle dos processos industriais, efetuando a
coleta e análise de dados em ambiente complexo, e a respectiva apresentação de modo
amigável para os operadores, com recursos gráficos elaborados como animações e conteúdo
multimídia. Para permitir isso, os sistemas SCADA identificam os tags, que são todas as
variáveis numéricas ou alfanuméricas envolvidas na aplicação, podendo executar funções
computacionais (operações matemáticas, lógicas, com vetores ou strings, etc.) ou representar
pontos de entrada/saída de dados do processo que está sendo controlado.
Neste caso corresponde às variáveis do processo real (ex: temperatura, pressão, nível de água,
etc.), se comportando como a ligação entre o controlador e o sistema. É com base nos valores
das tags que os dados são apresentados ao usuário (SILVA; SALVADOR, 2004). Os sistemas
supervisórios têm se mostrado de fundamental importância na estrutura de gestão das
empresas, fato pelo qual deixaram de ser vistos como meras ferramentas operacionais, ou de
engenharia, e passaram a ser vistos como uma relevante fonte de informação. Segundo Uddin
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Os sinais elétricos enviados pelos dispositivos de campo ao CLP são normalmente de 120
VAC ou 24 VDC. Os circuitos de entrada no CLP recebem esta tensão vinda do campo e a
“condiciona” de forma que possa ser utilizada pelo CLP. Tal condicionamento é necessário já
que os componentes internos de um CLP operam a 5 DC e devem, portanto, estar protegidos
de flutuações da tensão. Para que os componentes internos fiquem eletricamente isolados dos
terminais de entrada, os CLP’s empregam um isolador óptico, que usa a luz para acoplar os
sinais de um dispositivo elétrico a outro. Os circuitos de entrada do CLP também “filtram” os
sinais de tensão vindos do campo para classificá-los como válidos (os sinais de um sensor, por
exemplo) ou não válidos (ruído elétrico de alta freqüência ou estática). Os filtros de entrada
determinam a validade de um sinal pela sua duração; eles “esperam” para poder confirmar se
um sinal é uma referência de um dispositivo de entrada ou ruído elétrico. O tempo de
filtragem é normalmente de 8ms, mas alguns CLP’s permitem ajustar o tempo de resposta dos
filtros de entrada. Um maior tempo de resposta permite uma melhor filtragem do ruído
elétrico. Os menores tempos de resposta ajudam em aplicações que exigem operação de alta
velocidade (ex. interrupções e contagens).
6.3.5 Saídas Os dispositivos tais como solenóides, relés, contadores, partidas de motores, luzes
indicadoras, válvulas e alarmes estão conectados aos terminais de saída do CLP. Os circuitos
de saída funcionam de maneira similar aos circuitos de entrada: os sinais emitidos pela CPU
passam por uma barreira de isolamento antes de energizar os circuitos de saída. Os CLP’s
utilizam vários circuitos de saída para energizar seus terminais de saída: relés, transistores e
triacs. Os relés podem ser usados com alimentação alternada ou contínua. Os relés
eletromagnéticos de CLP’s tradicionais aceitam correntes de até alguns amperes. Os relés
suportam de forma melhor os picos de tensão porque contem uma camada de ar entre seus
contatos que elimina a possibilidade de ocorrência de corrente de fuga. No entanto, são
comparativamente lentos e sujeitos a desgaste como tempo.
Os transistores chaveiam corrente contínua, são silenciosos e não têm peças móveis sujeitas a
desgaste. Os transistores são rápidos e podem reduzir o tempo de resposta, mas suportam
cargas de, no máximo, 0,5A. Certos tipos especiais de transistores, os FET’s podem aceitar
cargas maiores, normalmente até 1A. Os triacs chaveiam exclusivamente corrente alternada.
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• Sistema de Memória
Conforme Souza (2006), o sistema de memória da CPU é composto por:
Memória do sistema de operação, onde é armazenado o programa de execução desenvolvido
pelo fabricante, e que determina como o sistema deve operar, incluindo a execução dos
programas do usuário, controle de serviços periféricos, atualização dos módulos de
entrada/saída etc. Memória de aplicação ou memória de usuário, onde o programa
desenvolvido pelo usuário, chamado de aplicação, é armazenado. Ainda segundo Souza
(2006), juntamente com o programa de aplicação, é armazenado os dados do sistema em uma
tabela para realização dos controles dos módulos de entrada/saída utilizados. Cada ponto de
entrada/saída conectado aos módulos tem um endereço especifico na tabela de dados, o qual é
acessado pelo programa de aplicação.
• Barramento de Dado
Canal físico por onde circula dados vindos da memória para outra memória ou para um
dispositivo externo.
• Barramento de Endereço
Canal físico por onde circula informações ligadas ao endereçamento de memória.
6.3.4 Entradas Os terminais de entrada conectados no CLP formam a interface pela qual os dispositivos de
campo são conectados ao CLP. As entradas incluem itens tais como botões, chave, chaves
seletoras, sensores de proximidade e sensores fotoelétricos. Todos estes são dispositivos
discretos que fornecem um estado energizado ou desernergizado ao CLP. Enquanto que os
CLP’s de maior porte podem aceitar valores analógicos (sinais variáveis de corrente e tensão),
tais como os fornecidos por sensores de pressão e temperatura, os micros-CLP’s não possuem
normalmente este recurso.
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6.3.1 Estrutura Básica de um CLP
Para aprender como funciona um CLP, é necessário uma análise rápida de seus componentes.
A estrutura básica de um CLP é ilustrada na Figura 6.2 Todos os CLP’s, dos micros ao
grandes CLP’s, usam os mesmos componentes básicos e estão estruturados de forma similar.
Figura 6.2 - Estrutura Básica de um CLP
Os sistemas CLP consistem de:
6.3.2 Unidade Central de Processamento
A estrutura básica da CPU é composta pelo processador, sistema de memória e barramento de
dados, controle e endereço.
6.3.3 Processador
Processador é o principal componente do CLP, responsável pela atividade afim do sistema.
Segundo Souza (2006), ele é responsável pelo gerenciamento total do sistema, controlando os
barramentos de endereços, de dados e de controle, interpreta e executa as instruções do
programa de aplicação, controla a comunicação com dispositivos externos e verifica a
integridade de todo o sistema realizando relatórios ou diagnósticos do sistema operacional.
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• A unidade deve ser capaz de operar na planta com maior confiabilidade do queum painel de
relés.
• Deve ser fisicamente menor que um painel de controle de relés e assim reduzirao mínimo a
necessidade de espaço no chão da fábrica.
• A unidade deve ser capaz de produzir dados para uma estação central e coleta de dados.
• A unidade deve ter preço competitivo face aos relés e painéis de estado sólido utilizados
atualmente.
Conforme Coretti (1998), no final da década de 70 foram incorporados recursos de
comunicação aos CLP’s que, embora limitados, proporcionaram a integração entre
controladores distantes, tornando-os parte de um sistema integrado de fabricação e operação
de uma planta individual. Na década de 80 houve a redução do tamanho físico e a introdução
de módulos inteligentes de E/S proporcionando alta velocidade e controle preciso em
aplicações de posicionamento. Foi introduzida a programação por software em
microcomputadores e a primeira tentativa de padronização de comunicação através do MAP
(Manufactoring Automation Protocol), também da General Motors (PUPO, 2002).
Na década de 90 houve a introdução de IHM, softwares supervisórios e de gerenciamento, as
interfaces para barramento de campo e os blocos de funções. Devido a ampla gama de
equipamentos e sistemas disponíveis para controle industrial, aliada à crescente capacidade de
recursos que o CLP vem agregando, existe a possibilidade de se confundir outros
equipamentos com ele. Para evitar tal equívoco, devem-se observar as duas características
básicas, que servem de referência para identificar um equipamento de controle industrial
como sendo um controlador lógico programável (JESUS, 2002):
• O equipamento deve executar uma rotina cíclica de operação enquanto em funcionamento;
• A forma básica de programação deve ser realizada a partir de uma linguagem
oriunda dos diagramas elétricos de relés.
30
6.3 O Controlado Lógico Programável (CLP)
O controlado Lógico Programável, ou simplesmente CLP (Programmble Logic Controller) é
definido por Georgini (2003) como um dispositivo de estado sólido – um Computador
Industrial, capaz de armazenar instruções para implementação de funções de controle
(seqüência lógica, temporização e contagem, por exemplo), além de realizar lógicas e
aritméticas, manipulação de dados e comunicação em rede, sendo utilizado no controle de
sistemas automatizados.
Um PLC assim como um computador pessoal é composto pelos seguintes componentes: CPU
que é responsável pelas operações matemáticas. Módulos de entrada e saída ligados a
comunicação do CLP com outros equipamentos e por último o sistema de alimentação. Para a
programação dos CLP’s sentiu-se a necessidade da construção de um padrão que fosse
seguido pelos fabricantes. Isto teve inicio em 1979 com o IEC que iniciou seus trabalhos com
este propósito e como resultado temos hoje a IEC 61131 onde se encontra com 8 partes sendo
que algumas ainda não finalizadas.
Segundo Natale (2000), CLP é “um computador com as mesmas características conhecidas do
computador pessoal, porém, em uma aplicação dedicada” na Automação de processos em
geral, assim como no Comando Numérico Computadorizado, que trata de um computador da
Manufatura. Foram inicialmente projetados para esta função e aplicados em 1969 à linha de
produção da General Motors nos Estados Unidos como seqüenciadores de estado das
máquinas. Durante a década de 70, adquiriram instruções de temporização, contatores,
operações aritméticas, controle de impressão, movimentação de dados, operações matriciais e
controle analógico PID.
Segundo Simpson (1994), os CLP’s foram inicialmente concebidos por um grupo de
engenheiros da divisão de hidramática da General Motors em 1968, levando-se em conta os
seguintes critérios:
• A máquina deve ser facilmente programada. Ela deve ter seqüências de
operações prontamente modificadas.
• Deve ser de fácil manutenção e reparação em módulos conectáveis.
29
6.1.3 Atuador
Os atuadores são dispositivos a serem acionados para executarem uma determinada força de
deslocamento ou outra ação física, definida pelo sistema controlador por meio de uma ação de
controle (maneira pelo qual o controlador produz o sinal de controle). Podem se magnéticos,
hidráulicos, pneumáticos, elétricos ou de acionamento misto.
6.2 Arquitetura da Automação Industrial
Segundo Moraes e Castrucci (2001), a automação industrial exige a realização de muitas
funções. A Figura 6.1 representa a chamada Pirâmide de Automação, com os diferentes níveis
de automação encontrados em uma planta industrial. Na base da pirâmide está freqüentemente
envolvido o Controlador Programável, atuando via inversores, conversores ou sistemas de
partidas suaves, sobre máquinas e motores e outros processos produtivos. No topo da
pirâmide, a característica marcante é a informatização ligada ao setor corporativo da empresa.
Figura 6.1-Pirâmide de Automação
28
6. SISTEMA DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
Segundo Silveira e Santos (1998), automação industrial é um conceito e um conjunto de
técnicas por meio das quais se constroem sistemas ativos capazes de atuar com uma eficiência
ótima pelo uso de informações recebidas do meio sobre o qual atuam. Com base nas
informações, o sistema calcula a ação corretiva mais apropriada para a execução da ação e
esta é uma característica de sistemas em malha fechada, conhecidos como sistemas de
realimentação, ou seja, aquele que mantém uma relação expressa entre o valor da saída em
relação ao da entrada de referência do processo. Essa relação entrada/saída serve para corrigir
eventuais valores na saída que estejam fora dos valores desejados.
6.1 Sensor ,Transdutor e Atuador
6.1.1 Sensor
Ainda segundo Silveira e Santos (1998), Sensor é definido como sendo um dispositivo
sensível a um fenômeno físico, tais como: temperatura, umidade, luz, pressão, entre outros.
Por meio desta sensibilidade, os sensores enviam um sinal, que pode ser um simples abrir e
fechar de contatos, para os dispositivos de medição e controle. Ou, caso exista a necessidade
de medir uma grandeza elétrica (como, por exemplo: corrente) a partir de um fenômeno físico
qualquer envolvendo grandezas físicas que não sejam de natureza elétrica, tem-se,
conceitualmente, a necessidade de utilizar um transdutor.
6.1.2 Transdutor
Caracteriza por um dispositivo capaz de responder ao fenômeno físico, ou estímulo, de forma
a converter sua magnitude em um sinal elétrico conhecido, proporcional á amplitude desses
estímulos.
27
depois o programa continua a ser executado no mesmo ponto que estava. Elas servem para a
solução de muitos programas complexos (SOUZA, 2003).
5.4 Módulo CCP O módulo CCP é um periférico que pode funcionar de três modos diferentes: Capture,
Compare e PWM. Os bits adequados deste módulo são utilizados para configurar o módulo
CCP do PIC utilizado.
5.4.1 Módulo Compare
Nesse modo de funcionamento do módulo CCP, o conteúdo do par de registradores específico
deste módulo é comparado, a todo o instante, com o conteúdo do par de outro registrador.
Quando ocorre a igualdade de conteúdo, o pino deste módulo compare será Chaveado de
acordo com o modo de funcionamento do Compare no momento (ZANCO, 2005).
5.4.2 Módulo Capture
Nesse modo de operação TIMER1 é utilizado para medir o tempo entre dois eventos
ocorridos no específico. Esses eventos são, na verdade, transições positivas (bordas de subida)
ou transições negativas (bordas de descidas) ocorridas nesse pino, dependendo da
configuração adotada para o modo de Capture (ZANCO, 2005).
5.4.3 Módulo PWM
Esse é o modo de funcionamento mais poderoso do módulo CCP e pode ser utilizado em
diversas aplicações, como por exemplo, conversor digital/analógico, fonte chaveadas,
nobresks, etc. O PWM, conhecido como modulação por largura d pulso, é um sinal com
freqüência fixa, mais com largura de pulso variável (ZANCO, 2005).
26
5.1 Comunicação Serial Nos microcontroladores PIC, a comunicação serial é controlada por dois módulos: o MSSP
(Máster Synchronous Serial Port), que oferece recursos para o protocolo SPI(Serial
Peripheral Interface) e o barramento Inter Integrated Circuit e o Usart(Universal Synchronous
Asynchonous Receiver Transmitter) que disponibiliza a comunicação serial via
RS232(Recommended Standard)(BATES,2006). Na comunicação serial, a transmissão de
dados é feito bit a bit, ou seja, é transmitido um bit de cada vez. Cada bit permanece na linha
transmissão durante um tempo predefinido, chamado período do bit, para que possa ser lido.
A comunicação serial pode ter somente uma linha de transmissão. Esta é uma característica
que faz com que ela seja uma forma muito utilizada de transmissão de dados, principalmente
em transmissões de longa distância (ZANCO, 2005).
5.2 Portas
O estado das portas em um microcontrolador é acessado diretamente em duas posições
distintas da memória. Quando um pino dessas portas é configurado como entrada, ao ler o seu
bit relacionado, encontra-se diretamente o nível lógico aplicado a esse pino. Da mesma
maneira, configurando um pino como saída, pode-se alterar o seu estado, escrevendo
diretamente no bit relacionado (SOUZA,2003).
5.3 Interrupções É um evento externo ao programa que provoca a parada de sua execução, a verificação e
tratamento do referido evento e em seguida o retorno do programa ao ponto em que havia sido
interrompido. As estruturas de interrupção são utilizadas para que a CPU tome conhecimento
de eventos de alta prioridade para o programa. Quando ocorre um evento de interrupção, a
instrução em execução é completada, o conteúdo do contador de programa (ou equivalente) é
armazenado na pilha e o programa é desviado para um endereço conhecido com vetor de
interrupção (PEREIRA, 2004). Como o próprio nome diz, uma interrupção serve para
interromper o programa imediatamente. Desta maneira, podemos tomar atitudes instantâneas.
As interrupções são ações tratadas diretamente pelo hardware, o que as torna muito rápidas e
disponíveis em qualquer ponto do sistema. Assim sendo, quando uma interrupção acontecer, o
programa é paralisado, uma função específica (definida pelo programador) é executada e
25
5. MICROCONTROLADOR PIC
Figura 5 Diagrama de Pinagem do Microcontrolador O PIC é uma família de microcontroladores fabricada atualmente pela Microchip. Surgiu na
década de 70 baseado no processador CP1600 da General Instruments. Na época, os
microcontroladores ofereciam poucos recursos de E/S, porém isso mudou nas décadas
seguintes devido ao desenvolvimento tecnológico e a necessidade de cada vez maior de
executar tarefas envolvendo esses recursos. Assim, os microcontroladores passaram a ser
projetados com CPUs mais otimizadas, maior quantidade de memória e melhores interfaces
de comunicação originando uma diversidade de equipamentos aplicáveis em vários ramos da
eletrônica(SANCHEZ,CANTON,2007) em poucas palavras, poderíamos definir o
microcontroladores com um “pequeno” componente eletrônico, dotado de uma “inteligência”
programável, utilizado no controle de processo lógicos (SOUZA,2006). O controle de
processos deve ser entendido como o controle de periféricos, tais como: Leds, display de
segmentos, display de cristal líquido (LCD), resistências, relês, sensores diversos
(temperatura, posição, etc.) e muitos outros. São chamados de controladores lógicos, pois a
operação do sistema baseia-se nas ações lógicas que devem ser executadas, dependendo do
estado dos periféricos de entrada e/ou saídas.
24
Sobre cargas nos equipamentos de manobras, limitando sua vida útil;
Aumento das perdas elétricas na linha distribuição pelo efeito joule;
Necessidade de aumento do diâmetro dos condutores;
Necessidade de aumento dos equipamentos de manobras e de proteção;
4.5 Causa do baixo Fator de Potência
Motores de indução trabalhando a vazio;
Motores superdimensionados para sua necessidade de trabalho;
Transformadores trabalhando a vazio ou com pouca carga;
Reatores de baixo fator de potência no sistema de iluminação;
23
Figura 4 Seção do Cabo em Função do Fator de Potência
A correção do fator de potência por si só já libera capacidade para instalação de novos
equipamentos, sem a necessidade de investimentos em transformador ou substituição de
condutores para esse fim especifico.
4.4 Principais Conseqüências
Acréscimo na conta de energia elétrica por estar operando com baixo fator de potência;
Limitação da capacidade dos transformadores de Alimentação;
Flutuações de tensão nos circuitos de distribuição;
22
4. CAUSAS E CONSEQUÊNCIA DO BAIXO FATOR DE POTÊNCIA
4.1 Perdas nas Instalações As perdas de energia elétricas ocorrem em forma de calor e são proporcionais ao quadrado da
corrente total. Como essa corrente cresce com o excesso de energia reativa, estabelece-se uma
relação entre o incremento das perdas e o baixo fator de potência, provocando o aumento do
aquecimento de condutores e equipamentos ligado a rede.
4.2 Queda de Tensão O aumento da corrente devido ao excesso de energia relativa leva a queda de tensão
acentuada, podendo ocasionar a interrupção do fornecimento de energia elétrica e a
sobrecarga em certos elementos da rede. Esse risco é sobretudo acentuado durante os
períodos nos quais a rede é fortemente solicitada. As quedas de tensão podem provocar ainda
a diminuição da intensidade luminosa das lâmpadas e aumento da corrente nos motores.
4.3 Subutilização da Capacidade instalada
A energia reativa, ao sobrecarregar uma instalação elétrica, inviabiliza sua plena utilização,
condicionando a instalação de novas cargas a investimentos que seriam evitados se o fator de
potência apresenta-se valores mais elevados. O “espaço” ocupado pela energia reativa poderia
se então utilizado para o atendimento de novas cargas. Os investimentos em ampliação das
instalações estão relacionados principalmente aos transformadores e condutores necessários.
O transformador a ser instalado deve atender á potência total dos equipamentos utilizados,
mais devido a presença de potência reativa, a sua capacidade de ser calculada com base na
potência aparente das instalações.
Também aumenta o custo dos sistemas de comando, proteção e controle dos equipamentos
crescem com o aumento da energia reativa. Da mesma forma, para transportar a mesma
potência ativa sem o aumento de perdas, a seção dos condutores deve aumentar á medida em
que o fator de potência diminui.
Veja a variação da seção do cabo em função do fator de potência na Figura 4
21
sempre que a corrente nominal dos mesmos for superior a 90% da corrente de excitação do
motor).
-Motores com menos de 10CV corrige-se por grupos.
Figura 3.3 – Diagrama dos Tipos de Instalação
20
Correção na entrada da energia de baixa tensão: Permite uma correção bastante
significativa, normalmente com bancos automáticos de capacitores. Utiliza-se este tipo de
correção em instalações elétricas com elevados números de cargas com potências diferentes e
regimes de utilização pouco uniforme.
Correção por grupos de cargas: o capacitor é instalado de forma a corrigir um setor ou um
conjunto de pequenas máquinas (10CV). È instalado junto ao quadro de distribuição que
alimenta esses equipamentos. Tem como desvantagem não diminuir a corrente nos circuitos
de cada equipamento.
Correção localizada: È obtida instalando-se os capacitores junto ao equipamento que se
pretende corrigir o fator de potência. Representa do ponto de vista técnico, a melhor solução,
apresentando as seguintes vantagens:
-Reduz as perdas energéticas em toda a instalação.
-Diminui a carga nos circuitos de alimentação dos equipamentos.
-Pode-se utilizar em sistema único de acionamentos para a carga e o capacitor,economizando-
se um equipamento de manobra.
-Gera potência reativa somente onde é necessário.
Correção mista: No ponto de vista “Conservação de Energia” considerando aspectos
técnicos práticos e financeiros, torna-se a melhor solução.
Usa-se o seguinte critério para correção mista:
- Insta-se um capacitor fixo diretamente no lado secundário do transformador.
- Motores de aproximadamente 10CV ou mais, corrige-se localmente (cuidado com motores
de alta inércia, pois não se deve dispensar o uso de contatores para manobra dos capacitores
19
Fator de Potência é uma relação entre a energia ativa e a energia aparente ou total:
(2.6)
3.6 Potência Ativa
Potência Ativa, medida em KW, é a que realmente produz trabalho útil, isto é, faz os motores
e transformadores funcionarem. De acordo com o triângulo de Potência da figura temos:
P= S.cos = V.I.cos (2.7)
3.7 Potência Reativa
Quando existe em um circuito uma ou mais bobinas (cargas indutivas), é verificado que a
potencia total fornecida é diferente da potência lida num wattímetro. Isso ocorre porque
equipamentos como transformadores, motores e geradores necessitam de energia reativa para
seu funcionamento. Essa energia reativa é medida em kVArh, não realiza trabalho efetivo
mais tem a função de criar e manter os campos magnéticos das cargas. E é dado segundo o
triângulo de potência por:
Q=Ssen =VIsen (2.8)
3.8 Localização dos Capacitores para Correção de Fator de Potência A correção pode ser feita instalando os capacitores de quatro maneiras diferentes, tendo como
objetivos a conservação de energia e a relação custo/benefício:
Correção na entrada da energia de alta tensão: Corrige o fator de potência visto que pela
concessionária, permanecendo internamente todos os inconvenientes citados pelo baixo fator
de potência e custo é elevado.
18
Diminua as variações de tensão (oscilações);
Melhora o aproveitamento dos equipamentos com menos consumo;
Aumenta a vida útil dos equipamentos;
Os condutores tornam-se menos aquecidos, diminuindo as perdas de energia elétrica na
instalação;
3.5 Potência Total
A potência total ou aparente é composta pela potência ativa e reativa juntas, é aquela entregue
pela fonte de energia num intervalo de tempo a uma carga ou a um consumidor. Analisando
em termos das componentes da potência ativa, reativa e aparente, pode-se, a partir de uma
descrição geométrica destas componentes como na Figura 3.2, determinarem o fator de
potência .
Figura 3.2 – Triângulo de Potência
A potência total é dada por: S=V.I (2.5)
17
Onde é o ângulo de defasagem entre a corrente e tensão de um circuito operando a CA,
sendo = *t, onde é a velocidade angular em radianos por segundos e “t” é o intervalo de
tempo que ocorre a defasagem.
3.2 Meios de Controle de Fator de Potência Modificação da rotina operacional-orientação no sentido de se manter, por exemplo, os
motores em operação a plena carga, para diminuição de energia reativa indutivas no sistema;
Instalação de motores síncronos super excitados - pode ser acoplada alguma carga da
própria produção em substituição a um motor de indução. Entretanto, devido ao fato de ser
um equipamento bastante caro, nem sempre é compensador do ponto de vista econômico,
sendo competitivo, em princípio, para potências superiores a 200CV e funcionamento por
períodos longos.
Instalação de capacitores – é a solução mais empregada e adotada nesse trabalho.
3.3 Onde Corrigir o Fator de Potência
Uma forma econômica e mais utilizada para operação de equipamentos é a instalação de
capacitores próximos esse equipamentos, a instalação de capacitores, porém deve ser
precedida de medidas operacionais para que levem á diminuição de energia reativa indutivas
no sistema, como o desligamento de motores e outras cargas indutivas ociosas ou
superdimensionadas.
3.4 Com o Fator de Potência elevado para 0.92 ou mais, isto faz com que Desapareça a sobretaxa cobrada nas contas de energia elétrica;
Melhora o aproveitamento da energia elétrica para geração de trabalho útil;
16
3. FATOR DE POTÊNCIA
3.1 Conceitos Básicos
A maioria das cargas das unidades consumidoras consome energia reativa indutivas, tais
como: motores, transformadores, reatores para lâmpadas de descarga, fornos de indução, entre
outros. As cargas indutivas necessitam de campo eletromagnético para o seu funcionamento,
por isso sua operação requer dois tipos de potência como veremos mais adiante.
O fator de potência é um valor pré-determinado pela Agência Nacional de Engenharia
Elétrica, que é um órgão do governo federal, para que haja melhor aproveitamento da energia
elétrica, já que nos dias atuais ela se encontra tão escassa. O valor determinado pelo governo
foi fixado em noventa e dois por cento (0.92), ou seja, do cem por cento de energia total
entregue pela concessionária, somente oito por cento poderá retornar a linha como forma de
energia reativa.
Segundo Creder (2000) chama-se fator de potência o co-seno do ângulo de defasagem entre a
corrente e a tensão, a Figura 3.1 mostra o ângulo de defasagem entre a tensão e a corrente.
Figura 3.1 – Tensão (V) e Corrente (I)
15
2.3 Transformador Elevador
São transformadores que aumentam o valor da tensão de entrada em reação á saída, ou seja,
recebe certo valor de tensão no primário e transformam para um valor maior no secundário.
2.4 Transformador de Isolação São transformadores que não variam a tensão de entrada, ou seja, recebe certo valor de tensão
no primário e mantém este valor no secundário.
2.5 Relação de Potência nos Transformadores
Desconsiderando as perdas por aquecimento no transformador (da ordem de 10%) pode-se
dizer que o primário absorve da rede a mesma potência que o secundário fornece á carga, ou
seja, a potência do primário é a mesma potência do secundário.
(2.2)
Esta igualdade acima pode ser apresenta como: O produto da tensão do primário pela corrente
do primário é igual ao produto da tensão do secundário pela corrente do secundário.
(2.3)
Logo podemos deduzir a partir destas equações e da relação de transformação apresentada
antes que:
(2.4)
14
2. PRINCIPIO BÁSICO DE FUNCIONAMENTO DO TRANSFOMADOR
O principio básico de funcionamento de um transformador é o fenômeno conhecido com
indução eletromagnética: quando um circuito é submetido a um campo magnético variável,
aparece nele uma corrente cuja intensidade é proporcional as variações do fluxo magnético.
Os transformadores, na sua forma mais simples, consistem de dois enrolamentos de fio (o
primário e o secundário), que geralmente envolvem os braços de um quadro metálico (o
núcleo). Uma corrente alternada aplicada ao primário produz um campo magnético
proporcional á intensidade dessa corrente e ao número de espiras do enrolamento (número de
voltas do fio em torno do braço metálico). Através do metal, o fluxo magnético quase não
encontra resistência e, assim, concentra-se no núcleo, em grande parte, e então, a indução
eletromagnética: no secundário surge uma corrente elétrica, que varia de acordo com a
corrente do primário e com a razão entre os números de espiras dos dois enrolamentos.
2.1 Relação de transformação Relação de transformação é o nome dado a relação entre tensão induzida no secundário e
tensão aplicada no primário. Como esta relação depende fundamentalmente do número de
espiras do primário e secundário, pode-se escrever:
Relação de transformação
(2.1)
A partir desta relação podemos classificar os transformadores em três tipos diferentes. São
eles: Transformador Abaixador, transformador elevador e transformador de isolação.
2.2 Transformador Abaixador São transformadores que reduzem a tensão de entrada em relação á de saída, ou seja, recebem
certo valor de tensão no primário e transformam para um valor menor no secundário.
13
1.2 Objetivo Geral
Este trabalho faz parte de um trabalho mais amplo envolvendo o desenvolvimento de um
sistema supervisório para correção do fator de potência e balanceamento de cargas de um
sistema trifásico realizado simultaneamente pelos alunos Davi Leite, Rodrigo Guedes e
Robson Lage, todos do Curso de Engenharia de Controle e Automação da Escola de Minas de
Ouro Preto.
1.3 Objetivo Especifico
Desenvolver um sistema de controle e automação para fazer o controle do fator de potência no
secundário de um transformador trifásico, e o controle do acionamento de bancos de
capacitores, de tal forma, que mantenha o fator de potência dentro de limites estabelecido em
lei e reduzir a sobrecarga de energia reativa no sistema elétrico, proporcionando o aumento da
vida útil dos equipamentos ligados ao secundário do transformador.
12
1. INTRODUÇÃO
1.1 Generalidade
A energia elétrica, nos dias atuais é indispensável à vida humana, De natureza complexa,
qualquer erro por parte dos profissionais que lidam com ela, pode resultá em prejuízos
amplos, que vão desde os desastres ambientais até a perda de recursos financeiros
expressivos.
No entanto, a necessidade da criação de mecanismo, que possibilitem a utilização racional de
energia elétrica é de extrema importância. Muitos estudos têm sido feitos sobre estes assuntos,
tanto por parte das universidades quanto pela indústria de modo geral. A utilização da energia
elétrica no Brasil movimenta elevadas cifras de reais por ano, sendo que grande parte desse
dinheiro é perdido pela má utilização da mesma. Isso acontece por razões como falta de
planejamento, dimensionamentos incorretos de instalações, uso em horários mais onerosos e
até mesmo por contratos mal feitos junto às concessionárias de energia.
Vários especialistas do setor elétrico dizem que o Brasil tem um grande espaço para
aproveitar melhor a energia já existente, e a desinformação sobre esse assunto é notável. A
preocupação quanto á possibilidade da falta de suprimento de energia elétrica remete á
necessidade de se avaliar de que forma esse tipo de energia vem sendo utilizado. Isso torna
evidente que o problema não se limita apenas a necessidade de gerar cada vez mais energia,
mas, primeiramente, a eliminar desperdícios, buscando o máximo desempenho com o mínimo
de consumo, segundo a empresa ELETROBRÁS (1998).
O aquecimento da economia implica diretamente na ampliação do parque industrial brasileiro,
notoriamente reconhecido como o grande setor consumidor de energia elétrica. Do total da
energia consumida no país, estima-se, segundo a Empresa de Pesquisa Energética - EPE
(2007), que aproximadamente a metade (44%) é consumida pelo setor industrial. De acordo
com Garcia (2003) os motores destacam-se dentre as cargas elétricas de uma indústria
representando até 60% do total de energia elétrica consumida na mesma.
.
11
6.4.1 Componentes Físicos .......................................................................................................... 36
6.4.2 Componentes Lógicos de um Sistema SCADA .......................................................... 37
6.5 Software Supervisório .................................................................................................................... 38
6.6 Linguagem de Programação........................................................................................................... 38
7. PRÓTOTIPO DE DESENVOLVIMENTO PARA CORREÇÃO DE FATOR DE POTÊNCIA ................................................................................................................... 40
7.1 Metodologia..................................................................................................................................... 40
7.2 A Maquete ....................................................................................................................................... 41
7.3 Os Sensores ..................................................................................................................................... 43
7.3.1 Principio de funcionamento do sensor de Corrente ............................................... 43
7.3.2 Principio de funcionamento do sensor de Tensão ................................................... 45
7.4 Princípio de Funcionamento do Circuito ....................................................................................... 47
7.5 A programação do CLP e a Correção do fator de Potência .......................................................... 49
7.5.1 A programação da lógica do Fator de Potência ....................................................... 49
8. RESULTADOS EXPERIMENTAIS ...................................................................... 53
9. CONCLUSÃO E SUGESTOES PARA TRABALHOS FUTUROS .................... 54
9.1 Conclusão ........................................................................................................................................ 54
9.2 Sugestões para trabalhos Futuros .................................................................................................. 54
9.2.1 Implementação da Comunicação : PIC para CLP .................................................. 54
9.2.2 Entrada dos Capacitores .................................................................................................. 55
9.2.3 Teste e Verificação dos transformadores de Iso lação ........................................... 55
10
3.8 Localização dos Capacitores para Correção de Fator de Potência ............................................. 19
4. CAUSAS E CONSEQUÊNCIA DO BAIXO FATOR DE POTÊNCIA .............. 22
4.1 Perdas nas Instalações .................................................................................................................... 22
4.2 Queda de Tensão ............................................................................................................................. 22
4.3 Subutilização da Capacidade instalada ......................................................................................... 22
4.4 Principais Conseqüências ............................................................................................................... 23
4.5 Causa do baixo Fator de Potência .................................................................................................. 24
5. MICROCONTROLADOR PIC .............................................................................. 25
5.1 Comunicação Serial ........................................................................................................................ 26
5.2 Portas .............................................................................................................................................. 26
5.3 Interrupções .................................................................................................................................... 26
5.4 Módulo CCP ................................................................................................................................... 27
5.4.1 Módulo Compare ................................................................................................................. 27
5.4.2 Módulo Capture ................................................................................................................... 27
5.4.3 Módulo PWM ........................................................................................................................ 27
6. SISTEMA DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL ..................................................... 28
6.1 Sensor ,Transdutor e Atuador........................................................................................................ 28
6.1.1 Sensor ...................................................................................................................................... 28
6.1.2 Transdutor ............................................................................................................................. 28
6.1.3 Atuador ................................................................................................................................... 29
6.2 Arquitetura da Automação Industrial .......................................................................................... 29
6.3 O Controlado Lógico Programável (CLP) ..................................................................................... 30
6.3.1 Estrutura Básica de um CLP .......................................................................................... 32
6.3.2 Unidade Central de Processamento .............................................................................. 32
6.3.3 Processador ............................................................................................................................ 32
6.3.4 Entradas .................................................................................................................................. 33
6.3.5 Saídas ....................................................................................................................................... 34
6.3.6 Fonte de Alimentação ........................................................................................................ 35
6.4 Sistema Scada ................................................................................................................................ 35
9
SUMÁRIO
AGRADECIMENTOS ................................................................................................... 2
RESUMO ......................................................................................................................... 4
ABSTRACT ...................................................................................................................... 5
LISTA DE FIGURAS ..................................................................................................... 6
LISTA DE SIGLAS ........................................................................................................ 7
LISTA DE NOTAÇÕES ................................................................................................ 8
1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 12
1.1 Generalidade ................................................................................................................................... 12
1.2 Objetivo Geral ................................................................................................................................ 13
1.3 Objetivo Especifico ......................................................................................................................... 13
2. PRINCIPIO BÁSICO DE FUNCIONAMENTO DO TRANSFOMADOR ........ 14
2.1 Relação de transformação .............................................................................................................. 14
2.2 Transformador Abaixador ............................................................................................................. 14
2.3 Transformador Elevador................................................................................................................ 15
2.4 Transformador de Isolação ........................................................................................................... 15
2.5 Relação de Potência nos Transformadores .................................................................................... 15
3. FATOR DE POTÊNCIA.......................................................................................... 16
3.1 Conceitos Básicos ............................................................................................................................ 16
3.2 Meios de Controle de Fator de Potência ........................................................................................ 17
3.3 Onde Corrigir o Fator de Potência ................................................................................................ 17
3.4 Com o Fator de Potência elevado para 0.92 ou mais, isto faz com que ......................................... 17
3.5 Potência Total ................................................................................................................................. 18
3.6 Potência Ativa ................................................................................................................................ 19
3.7 Potência Reativa ............................................................................................................................. 19
8
LISTA DE NOTAÇÕES
Todas as notações ou símbolos utilizados no documento em ordem alfabética, em separado as
letras gregas.
Variáveis Descrição Unidade
U Tensão Volts [V]
I Corrente Elétrica Ampére [A]
C Capacitância Faraday [F]
Ângulo de defasagem Graus
Constate
L Indutância Henry [H]
N s Numero de espira Secundário
Np Numero de espiras Primário
P Potência Ativa Watts [W]
Vp Tensão no primário Volts [V]
VS Tensão no secundário Volts [V]
Ip Corrente no primário Ampére[A]
Is Corrente no secundário Ampéres[A]
Q Potência Reativa Volts Ámpere [VA]
S Potência Aparente Watts [W]
VCA Corrente Alternada Volts
VCC Corrente Continua Volts
FP Fator de Potência
F Freqüência [Hz]
Pp Potência no Primário Watts[W]
Ps Potência no Secundário Watts[W]
7
LISTA DE SIGLAS Siglas Significado
CLP Controlador Lógico Programável
IHM Interface Homem Máquina
IEC International Electronical Comission
CNC Comando Numérico Computadorizado
FET Transistor de Efeito de Campo
SET-POINT Valor desejado
SCADA Supervisory Control and Data Acquisition
MAP Manufactoring Automation Protocol
CPU Unidade Central de Processamento
LCD Display de Cristal Liquido
MSSP Master Synchronous Serial Port
CCP Compare , Capture e PWM
PID Proporcional, Integral e Derivativo
PWM Modulação por largura de Pulso
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LISTA DE FIGURAS
Figura 3.1 Tensão(V) e Corrente (I) 14 Figura 3.2 Triângulo de Potência 17 Figura 3.3 Diagrama dos Tipos de Instalação 20 Figura 4 Seção do cabo em Função do Fator de Potência 22 Figura 5 Diagrama de Pinagem do Microcontrolador 24 Figura 6.1 Pirâmide de Automação 28 Figura 6.2 Estrutura básica de um CLP 31 Figura 6.3 Rede de Comunicação 36 Figura 7.1 Esquema de Ligação dos Componentes 40 Figura 7.2 A Maquete 41 Figura 7.3 Transformador Acoplado ao Sensor de Corrente 43 Figura 7.4 Transformador Acoplado ao Sensor de Tensão 44 Figura 7.5 Sinal da Saída do Sensor de Tensão 45 Figura 7.6 Circuito Com Sensores e PIC 46 Figura 7.7 Sinal de Defasagem entre a Tensão e a Corrente 47 Figura 7.8 Cálculo do Fator de Potência 49 Figura 7.9 Faixa de Alocação dos Capacitores 50
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ABSTRACT
This work presents a study of correction of power factor, through the installation of capacitors
in the secondary of a transformer, it shows the importance of correcting the power factor, and
the relevance of this control in the industries, aiming to optimize the use of the electric power
used on country, to provide the growth of the it elaborates without it affects the environmental
laws, it describes the control system using sensors and a microcontroller used for calculates
time between tension and current, a CLP that obtain this time calculates the power factor.
According to the demand in real time, the control system maintains the power factor inside of
the established limits for the electric power dealership. The validation of the proposed control
is realized by simulations that uses the packages like Proteus and Proficy Machine.
Keywords: CLP, Microcontroller, Power Factor.
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RESUMO
Este trabalho apresenta um estudo de correção de fator de potência, através da instalação de
capacitores no secundário de um transformador trifásico. A importância de se corrigir o fator
de potência, e a relevância deste controle nas indústrias de médio e grande porte no Brasil,
objetivando otimizar. O uso da energia elétrica usada no pais, para proporcionar o
crescimento da industria sem que afete as leis ambientais, descreve o sistema de controle
usando sensores de tensão e corrente e um microcontrolador utilizado para calcular o tempo
de defasagem entre a tensão e a corrente da rede elétrica, um CLP que após obtido o tempo
calcula o fator de potência e aciona o banco de capacitores com o objetivo de corrigir
automaticamente o fator de potência. Conforme a demanda em tempo real, o sistema de
controle mantém o fator de potência dentro dos limites estabelecidos pela concessionária de
energia elétrica. A validação do controle proposto se dá por meio da realização de simulações
que utiliza o pacotes computacionais como Proteus e Proficy Machine.
Palavras chaves: CLP, Microcontrolador, Fator de Potência.
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AGRADECIMENTOS
Aos meus pais, pela compreensão e por terem me dado a oportunidade de estudar. Aos meus
parentes e amigos, por tornarem a minha vida bem mais feliz. Em especial ao professor Paulo
Monteiro, pela dedicação, paciência. Ao professor Ríspoli, pelo apoio e incentivo. Ao
Robson Dal Col e o Fernando dos Santos Alves Fernandes pela disposição e ajuda nas etapas
práticas deste projeto. E, sobretudo, a Deus, pela vida.
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DAVI LEITE DA SILVA
CONTOLE DE FATOR DE POTÊNCIA NO SECUDÁRIO (LADO DA CARGA) DE UM TRANSFORMADOR TRIFÁSICO
Monografia apresentada ao Curso de Engenharia de Controle e Automação da Universidade Federal de Ouro Preto como parte dos requisitos para a obtenção do Grau de Engenheiro de Controle e Automação.
Orientador:
Prof. Dr. Paulo Marcos de Barros Monteiro
Co-orientador:
Prof. Dr. Agnaldo José de Rocha Reis
Ouro Preto
Escola de Minas – UFOP
Dezembro/2009
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO ESCOLA DE MINAS
COLEGIADO DO CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO - CECAU
Controle de Fator de Potência no Secundário (Lado da Carga) de
um Transformador Trifásico
Monografia de Graduação em Engenharia de Controle e Automação
DAVI LEITE DA SILVA
Ouro Preto, 2009